PLATAFORMA DE MONITOREO DE VARIABLES …...Con base en los anterior se ha desarrollado e...

Plataforma de información y Monitoreo de variables proporcionadas por un motor a combustión interna

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PLATAFORMA DE MONITOREO DE VARIABLES PARA UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

VARIABLE MONITORING PLATFORM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

A. Juan David Gutiérrez Rincón B. Julián Esteban Pinzón Cruz.* C. Henry Montaña

Resumen: De acuerdo a la propuesta del Ing Germán Sicachá Rojas; en el laboratorio de

mecánica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

(U.D.F.J.C) se desarrolla un sistema que permite al usuario observar y analizar de manera no

invasiva el estado de un motor de combustión a gasolina ya que revisa ciertas partes del

motor mientras este se encuentra en funcionamiento, estas mediciones son interpretadas y

mostradas por una unidad central de procesamiento de manera que sean entendibles para el

usuario y a su vez, este pueda tomar las acciones necesarias para realizar el correcto

mantenimiento preventivo y/o correctivo del motor.

El funcionamiento del motor puede ser observado desde una caja de control ubicada en la

parte superior del mismo o en un dispositivo móvil que este dentro del laboratorio de

mecánica por medio de una conexión a internet.

Palabras clave: Electrónica, electrónica de potencia, mecánica, monitoreo de variables,

motor de combustión interna, micro-controladores, Raspberry pi.

Abstract: According to the proposal by the Ing Germán Sicachá Rojas; on the mechanics

laboratory of the faculty of technology, District University Francisco José de Caldas

(U.D.F.J.C) develops a system that allows the user to watch and analyze the Internal

combustion engine status of a non-invasive way because it check some parts if the engine;

this is interpreted and displayed by a central processing unit, so that, the user can understand

it; and, in turn, he can take the necessary actions to perform the correct preventive and/or

corrective maintenance of engine.

Engine performance can be observed from a control panel located in the upper part of the

engine or a mobile device located in the mechanics laboratory through an internet

connection.

Key Words: Electronics, power electronics, mechanics, monitoring variables, internal

combustion engine, microcontrollers, Raspberry pi.

1. INTRODUCCIÓN

Con el fin de lograr un desarrollo tecnológico, se deben liderar proyectos de investigación

que permitan aportar y consolidar resultados de investigación técnica y tecnológica que con

lleven a cuantificar el potencial de los diferentes tipos de sistemas de control.

Con base en los anterior se ha desarrollado e implementado una plataforma de información y

monitoreo de variables, según la norma OBD I y II para el motor de combustión a gasolina

que se encuentra en el laboratorio de mecánica de la Facultad Tecnológica de la Universidad

Distrital Francisco José de Caldas, donde sus principales objetivos son la medición de




distintas variables que se dan al momento que el motor está en funcionamiento las cuales

son: la temperatura que se presenta en el boque del motor, el nivel de gasolina del tanque de

combustible, la presión de aceite y el paso de corriente por las bugías, las revoluciones por

minuto (RPM) del motor y la velocidad del automotor. Estos datos obtenidos de la medición

de las distintas variables se visualizan tanto en una LCD de dos filas dieciséis columnas

(2x16) como en una página web.

El funcionamiento de dicha plataforma se basa en los datos obtenidos por sensores

electrónicos, los cuales serán tratados un micro-controlador para ser visualizados sea a una

interfaz gráfica conformada por un Display o enviados a una Raspberry Pi la cual sirve como

servidor web de modo que la información pueda ser visualizada en dispositivos portables que

se encuentren en el interior del laboratorio de mecánica para que el usuario tenga acceso al

momento de hacer cada prueba.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Con el fin de mejorar el funcionamiento del motor a combustión a gasolina que se encuentra

en el laboratorio de mecánica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas, además de estandarizarla según la norma OBD I y II, se ha hecho

un reconocimiento de los distintos déficits que tiene la máquina, los cuales son:

La temperatura que se presenta en el bloque del motor.

El nivel de gasolina del tanque de combustible.

La presión de aceite y el paso de corriente por las bugías.

Las revoluciones por minuto (RPM) del motor y la velocidad del automotor.

2.1 Metodología

Se propone un sistema que permite monitorear las variables que proporciona un motor a

combustión interna tales como: temperatura, revoluciones por minuto del motor (RPM’s),

velocidad, nivel de gasolina, presión de aceite, corriente de las bugías, y además controlar la

temperatura del motor, las señales generadas están acondicionadas para que el

microcontrolador las adquiera con precisión. El diagrama se muestra en la Fig. 1. Los datos

que adquiere el microcontrolador son visualizados en una LCD y se transmiten mediante

dispositivos XBee® para ser revisados por el usuario mediante un dispositivo portátil que se

encuentre dentro del laboratorio.

Figura 1. Diagrama de Bloques

3. Montaje experimental

3.1 Temperatura del motor

La temperatura del motor se adquiere a través del sensor ASSY-WATER 39220, este sensor

puede detectar temperaturas de - 40° a 151° este sensor tiene una baja impedancia de

salida, su salida lineal y su precisa calibración hace posible que esté sensor sea instalado

fácilmente en un circuito de control. Este sensor se incorporó al paso del agua del motor para

así obtener su temperatura, el sensor funciona con 5 voltios, es una resistencia variable




lineal, lo que asegura una linealizacion del sensor y unos datos precisos, se puede ver en la

Fig. 2.

Figura 2. Sensor ASSY-WATER 39220 [3]

La información obtenida del sensor se envía al microcontrolador para su procesamiento,

visualización y envió

3.2 Revoluciones por minuto (RPM’s)

Par la obtención de las RPM’s no se utiliza ningún tipo de sensor, solamente se toma la

señal emitida del negativo de la bobina del motor que va conectada al distribuidor, esta señal

es un pulso que da las RPM’s de forma directa y de la manera más precisa posible, este

pulso tiene una amplitud de 5V, para el manejo de esta señal se conecta a la salida del

conversor análogo digital del microcontrolador. En la Fig. 3. Se puede observar un esquema

se toma la señal para su tratamiento.

Figura. 3. Borne negativo de la bobina [fuente propia]

3.3. Velocidad del motor

Para esta parte del proyecto se utilizo un sensor de efecto hall situado en el eje de la caja de

cambios, el sensor hall es sencillo de utilizar, se coloca el sensor cerca del eje y en el eje se

pone un imán que va a proporcionar un campo magnético para que el sensor hall se active

cada vez que da un giro el eje, ya obteniendo un pulso del sensor hall el cual se envía al

microcontrolador, en el micro controlador lo que se hace para que este pulso obtenido por el

sensor hall se convierta en velocidad, más adelante se mostraran las ecuaciones necesarias

para el cálculo de la velocidad lineal.

Con esta operación lo que se hace es tomar el pulso que llega del sonsor hall se guarda en

la variable rpm, a continuacion se halla la velocidad angular del motor (w), y esta velocidad

se multiplica por el radio del eje y se obtendia la velocidad lineal del motor y estaria lista para

visualizarla.




3.4. Nivel de gasolina del motor

Para mantener el control en todo momento de la cantidad de combustible disponible se

desarrolló esta etapa de censado, con un sensor resistivo en forma de flotador lo que resulta

muy útil al medir un recipiente de líquido ya que cuando se esté vaciando el flotador bajara y

cambiara la resistencia eléctrica del sensor y viceversa a continuación se visualiza un

modelo del sensor utilizado en la Fig. 4.

Figura 4. Esquema del sesnor resistivo [4]

3.5 Presión de aceite

Todos los vehículos utilizan en el panel de instrumentos un indicador visual que puede ser un

foco o un indicador de presión para alertar al conductor en caso de que exista baja presión

de aceite en el sistema de lubricación, ya que la baja presión de aceite es un problema serio

ya que para mantener lubricadas las partes en movimiento y evitar el desgaste, es necesario

mantener cierta presión en el motor, por eso se implementó una pera de presión de aceite

que se puede observar en la Fig.5.

Figura 5. Pera presión de aceite Renault [5]

Este sensor nos va a indicar cuando hay presión de aceite y su funcionamiento es el

siguiente, cuando el motor está apagado no hay presión de aceite lógicamente, la pera de

presión se comporta como un circuito abierto y cuando se enciende el motor comienza a

haber presión de aceite en este momento la pera cambia de estado “cerrando el circuito” y

como la pera esta puesta en el motor el estado que tendría es de GND, ya teniendo los 2

estados entregados por la pera de presión de aceite se envían los datos al microcontrolador

para la visualización y posteriormente para enviarlos.

3.6. Corriente bugías

Para el monitoreo de la corriente de las bugías de planteo un circuito que consiste en el cable

que va a cada una de las bugías se le implementa una bobina que capta el flujo magnético

generado por la intensidad que fluye atreves del conductor Asumiendo que la intensidad que

fluye por el conductor que se mide es el primario del transformador, se obtiene, por la

inducción electromagnética, una corriente proporcional a la del primario en el secundario

(bobina) del transformador, que está conectado al circuito de medición del instrumento esto

proporciona la lectura de intensidad, como se observa en la Figura 6.




Figura 6. Diagrama de bloques para transformador de corriente [13].

Las bobinas que se crearon para el monitoreo son muy sencillas ya que se conoce la

corriente que circula por I(A) que es de 80A, y la variable N es de 4, de esa manera se

obtiene la corriente de salida decente para ser tratada.

Además, esta forma se obtiene cuando pasa corriente por el cable de la bugía sin interferir

en el circuito que realiza la misma, ya que se obtuvieron muchos problemas al querer

monitorear directamente sobre la bugía por medio de una punta logia e intercambiando de

una a otra por un SCR, se encontraba un problema cuando se monitoreaban 3 al mismo

tiempo el motor no respuesta bien porque no le llegaba a las bugías el voltaje necesario para

su funcionamiento. De esta manera con boninas se puede hacer un monitoreo más limpio y

preciso sin afectar el funcionamiento del motor, el circuito se encuentra acoplado en la parte

superior del motor como se observa en la Fig. 7.

Fig.7. Monitoreo de corriente bugias [Fuente propia]

3.7. Control de temperatura

Para el control de la temperatura se utilizó una pera termostática que fue situada en el

radiador del automóvil, el funcionamiento de esta pera es similar al de la pera de aceite

cuando llega a la temperatura de 75°c el ventilador se enciende para evitar el

recalentamiento del motor, en la Fig.8. Se puede observar un diagrama del funcionamiento

de la pera termostática.

Figura 8. Pera termostatica [Fuente propia]




MCLR/VPP1

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA3/AN3/VREF+5

RA4/T0CKI6

RA5/AN4/SS/LVDIN7

RE0/RD/AN58

RE1/WR/AN69

RE2/CS/AN710

OSC1/CLKI13

RA6/OSC2/CLKO14

RC0/T1OSO/T1CKI15

RC2/CCP117

RC3/SCK/SCL18

RD0/PSP019

RD1/PSP120

RD2/PSP221

RD3/PSP322

RD4/PSP427

RD5/PSP528

RD6/PSP629

RD7/PSP730

RC4/SDI/SDA23

RC5/SDO24

RC6/TX/CK25

RC7/RX/DT26

RB0/INT033

RB1/INT134

RB2/INT235

RB3/CCP2B36

RB437

RB5/PGM38

RB6/PGC39

RB7/PGD40

RC1/T1OSI/CCP2A16

U1

PIC18F452

RXD

RTS

TXD

CTS

DSW1(NO1)DSW1(NO2)DSW1(NO3)DSW1(NO4)

B0B1B2B3

B2 B1 B0B3U2S6010R

U3S6010R

U4S6010R

U5

S6010R

D5

1N4007

D6

1N4007

D7

1N4007

D8

1N4007

OF

FO

N

1234

8765

DSW1DIPSW_4

R1100R

R2100R

R3100R

R4100R

B4B5

B7B6

B4

B5

B6

B7

RXTX

RX

TXA0A1A2A3A4

55.0

3

1

VOUT2

U6

LM35

A0

50%

RV1

1k

A1A4

R5560R

D7

14D

613

D5

12D

411

D3

10D

29

D1

8D

07

E6

RW

5R

S4

VS

S1

VD

D2

VE

E3

LCD1LM016L

4. PROCESAMIENTO DIGITAL DE LA SEÑAL

En este bloque es considerado una unidad de procesamiento computacional o CPU el cual

interpreta para el usuario la información obtenida por el conjunto de sensores. El sistema

consta de un microcontrolador PIC18F452 y una Raspberry PI. El PIC18F452 detecta el

estado (uno o cero) de siete (7) entradas digitales detecta el estado de las bujías , la presión

de aceite, las RPM’s del motor y la velocidad del mismo (kilometraje); cuatro salidas digitales

son usadas para la activación de las puntas lógicas las cuales informan a la CPU el estado

de las bujías (si circula corriente a través de las bujías o no), por último se tienen dos (2)

sistemas de conversión análogo-digital (ADC) los cuales miden el nivel de gasolina y la

temperatura de este; en la Fig. 9. se muestra una simulación del sistema.

Figura 9. Simulación del sistema [fuente propia]

4.1 Funcionamiento de la CPU

A diferencia de otros microcontroladores; el PIC18F452 solo puede ejecutar una función a la

vez (no puede trabajar por RTOS); de modo que se le pide al PIC que solo haga algunas

funciones a tiempo real dando de modo que se obtenga un retraso mínimo en la información.

A continuación se va a hacer un resumen de la parte de sensorica utilizada, y el

funcionamiento en cuanto a la parte digital.

Partiendo de lo anterior, la primera tarea del PIC es el monitoreo del estado de las bujías;

esto es, el microcontrolador activará cada una de los circuitos y esperara hasta un máximo

de un segundo (1s) a que la punta lógica detecte e informe el paso de corriente por la bujía;

en caso de no recibir información, el PIC guardara el estado de la bujía como un cero; en

caso contrario como un uno.

Una vez detectado el estado de las cuatro bujías el microcontrolador mide la temperatura, el

nivel de gasolina, las RPM’s del bloque del motor y el kilometraje de este; esta información

es mostrada en tiempo real durante cuatro segundos aproximadamente.

Las Revoluciones del bloque del motor son calculadas partiendo de un tren de pulsos de la

bobina este tren de pulsos es acondicionado para poder ser interpretado por el sistema

Análogo-Digital del PIC.

La velocidad del motor se calcula al colocar un sensor de efecto HALL A1302 cerca de un eje

del motor el cual tiene unido un imán. El microcontrolador espera a que el sensor informe que

el imán ha pasado cerca de este; luego el PIC calcula el tiempo (T) en milisegundos que el

imán tarda en pasar cerca del sensor lo que sería una vuelta de la llanta; hecho esto se

calculan las RPM’s del eje (ecuación 1), luego se calcula la velocidad angular del mismo

(ecuación 2) y por último la velocidad lineal del motor basándose en el radio (r) del eje del

motor a trabajar (ecuación 3).




El nivel de gasolina se detecta por medio de una cisterna inmersa en Ecuación el tanque

de gasolina; de acuerdo con la posición del flotador, la cisterna enviara un nivel de voltaje el

cual será adquirido por el ADC del PIC siendo 0V la ausencia de gasolina y 5V cuando el

tanque este lleno. El nivel de gasolina (Nvg) se expresa como el porcentaje de la capacidad

máxima del tanque y su fórmula se muestra en la ecuación 4.

La temperatura del motor es calculada a partir de la diferencia de potencial entre una

resistencia y el termistor el cual otorga valores resistivos lineales, de modo que estos valores

pueden ser adquiridos y traducidos como si de un LM35 se tratase; la ecuación que utiliza el

PIC18F452 para medir y calcular la temperatura se muestra a continuación en la ecuación 5.

Una vez adquirido toda la información el PIC18F452 publica los datos a la LCD partiendo de

la información que el usuario desee observar; luego este envía esta información por

comunicación serial a una XBee la cual reenvía lo recibido a la Raspberry PI, este sistema

que trabaja principalmente como servidor web publica la información recibida en una página

web la cual solo puede ser visitada por cualquier dispositivo conectado al modem del

laboratorio.

La Raspberry PI se basa en un código que es ejecutado al iniciar el sistema operativo de

este; dicho código se encarga de habilitar el sitio web contenido en el dispositivo y de

publicar al PIC la IP de la Raspberry; a continuación se ejecuta un programa el cual espera a

que llegue alguna información de la XBee; una vez se recibe la información del PIC se

procede a guardar o sobrescribir los datos (dependiendo el caso) en un archivo de texto cuya

información será publicada en internet a continuación en la Fig.10, se puede ver un

pantallazo que muestra el índex de la página web en el momento que la Raspberry no ha

recibido ningún tipo de información del PIC, de modo q este asume que el motor no está

trabajando.




Figura 10. Visualización por medio de sitio web [Fuente propia]

4.2 Comunicación entre la Raspberry PI y el PIC18F452

La comunicación entre los dos dispositivos digitales se conforma por dos módulos de

comunicación Xbee Pro de la Serie 2 (ver Fig. 10); estos son dispositivos de comunicación

inalámbrica de bajo consumo de energía los cuales pueden trabajar hasta una frecuencia de

2.4GHz en un radio de treinta metros (30m) sin perder información o recibir ruido durante la

comunicación; trabajan bajo el protocolo de comunicación IEEE 802.15.4.

Figura. 10. Módulo de comunicación Xbee

Para poder comunicar los dispositivos se debe primero programar los dispositivos de

comunicación; esto se realiza mediante el software X-CTU conectando un módulo de

comunicación y estableciendo una ID para el dispositivo y una ID de destino (ver Fig. 11) la

información solo sea leída por los módulos de comunicación predefinidos por medio de este

software

Figura 11. X-CTU [Fuente propia]

Una vez configurados los módulos; estos, son conectados tanto al PIC como a la Raspberry.

La conexión del Xbee con el microcontrolador es igual que una conexión UART

conectándose el Tx del PIC al pin Data In del módulo y el Rx al Data Out del módulo (Ver

Fig.12).

Figura. 12 Conexión Xbee con PIC18F452[Fuente propia]




Para la Raspberry, solo basta con conectar el modulo al puerto USB del dispositivo para que

este identifique una entrada UART e iniciar la respectiva comunicación (Ver Fig. 13).

Figura 13. Conexión Xbee con Raspberry Pi [8]

Agradecimientos

El presente trabajo de tesis primeramente me gustaría agradecer a ti Dios por la bendición

para llegar hasta este punto; se agradecer de manera especial al Ing. Os Henry Montaña, por

la ayuda prestada en este proyecto adelante bajo su dirección, También se agradece al

compañero y laboratorista de mecánica Nicolas por las pautas dadas sobre el funcionamiento

y comportamiento del equipo manejado.

Conclusiones

El funcionamiento del motor, sobretodo la dinamo utilizada para cargar la batería,

genera un ruido tanto eléctrico como electromagnético el cual afecta el funcionamiento

adecuado del microcontrolador; para ello se dejó este último completamente aislado

del motor y se aseguró que ninguna conexión entre el motor y el PIC18F452 llevase

una información o señal eléctrica.

Se encontró que la comunicación con los Xbee tiene una excelente cobertura dentro

del laboratorio a pesar de todo el ruido electromagnético que pueda producirse dentro

del laboratorio gracias a que la velocidad de comunicación de los módulos se

encuentra a nivel de micro-ondas y por ende, la información no puede ser confundida

ni interferida por el ruido de los sistemas del laboratorio que son mucho más pequeño.

Se recomienda al monitorear la corriente de las bugías no interferir en el circuito

realizado por automotor, si no por el contrario medir las corrientes de manera externa

como lo haría una pinza amperimétrica.

Cualquier sistema eléctrico o electrónico conectado a la batería del motor puede llegar

a afectar al funcionamiento de este pues todos los elementos del motos están

diseñador para utilizar en total una corriente mayor a los 60A y se corre el riesgo de

que se pida más corriente de la posible entregada si se llega a conectar otro elemento

eléctrico.




Referencias

[1] J. Hernandez, “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA UNIDAD ELECTRÓNICA PARA CONTROLAR EL DESEMPEÑO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA,” 2010. [Online]. Available: https://www.academia.edu/6357347/Trabajo_de_Tesis_en_Ing._Electronica_-_DISENO_E_IMPLEMENTACION_DE_UNA_ECU_PARA_CONTROLAR_EL_DESEMPENO_DE_UN_MOTOR_DE_COMBUSTION_INTERNA.

[2] “CKP "Crankshaft Position Sensor" (Sensor de Posición del Cigüeñal)”, 2014. [Online]. Available: http://ehtmotors.com/sensores.php?p=ckp

[3] Hyundai, “SENSOR ASSY-WATER TEMPERATURE - HYUNDAI (39220-3E200)”, 2016. [Online]. Available: http://www.hyundaioemparts.com/oe-hyundai/392203e200

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[5] “Sensor, presión de aceite para RENAULT” 2016. [Online]. Available: https://recambios-coche.oscaro.es/sensor-presion-de-aceite-renault-clio-162-638-gf

[6] “SENSORES ELECTRICOS”, 2014. [Online]. Available: http://nipponpower.mx/foro/showthread.php/74805-Sensores-electricos

[7] R. Aristizabal “Diseño y contrucion de un sistema electrónico de información y monitoreo de un automóvil” 2006. [Online]. Available: http://www.unipamplona.edu.co/unipamplona/hermesoft/portalIG/home_1/recursos/tesis/contenidos/pdf_tesis/28032007/monitoreo_de_automovil.pdf

[8] S. Jain, A. Vaibhav, and L. Goyal, “Raspberry Pi based interactive home automation system through E-mail,” in 2014 International Conference on Reliability Optimization and Information Technology (ICROIT), 2014, pp. 277–280.

[9] S. Banerjee, D. Sethia, T. Mittal, U. Arora, and A. Chauhan, “Secure sensor node with Raspberry Pi,” in IMPACT-2013, 2013, pp. 26–30.

[10] Arduino + XBee - Primeros Pasos. https://hangar.org/webnou/wp-content/uploads/2012/01/arduino-xbee-primeros-pasos.pdf. agosto de 2015.

[11] lexixco andres. configuración del modulo Xbee pro serie 2. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=FiBeyfFB4gQ. Publicado el 28 de mayo de 2013.

[12] Digi International. XBee Multipoint RF Modules. http://www.digi.com/pdf/ds_xbeemultipointmodules.pdf .

[13] KYORITSU. Clamp Meter Operation. [2015]. [Online]. Aviable: www.kew-ltd.co.jp/en/support/mame_02.html

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