I+i Investigación aplicada e innovación. Volumen 2 - Nº 2 / Segundo Semestre 2008

Sánchez L. – Diseño y optimización experimental del proceso de flotación de un mineral aurífero

Investigación aplicada e innovación Volumen 2-Nº 2 Segundo semestre 2008 Lima-Perú

ISSN 1996-7551

Editorial....................................................................................................................................................................

65

Diseño y optimización experimental del proceso de flotación de un mineral aurífero............................................................................................................................................ Luis Sánchez

66

Brushless DC (BLDC) motor drive for novice circuit developer................................. ............................................................................................................................. Athula Kulatunga / Fred Chou

73

Modelamiento de una planta de control de nivel mediante identificación no paramétrica.......................................................................................... Raúl Medrano / Ernesto Godines

79

Determinación del tiempo de barrido para recolección remota de datos en una configuración punto-multipunto..............................................................Ramón Robalino

88

Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador (PIC) y asistida por PC ..................................... ..............................................................................................................................José Reyes / Ronmel Valcárcel

96

Implementación de controladores en MATLAB - PLC con comunicación OPC aplicado a plantas industriales...........................................................................Manuel Manyari

103

Plataforma de aprendizaje a distancia en automatización industrial................. empleando laboratorios remotos............................................... Alfredo Saire / Henry Gómez

109

Acceso a servicios en una PBX utilizando comandos de voz con asterisk..... .................................................................................................................................. Renatto Gonzales Figueroa

1 17

Sistema de control y monitorización industrial por línea telefónica..................... .........................................................................................................................................................Miguel Valencia

125

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Sánchez L. – Diseño y optimización experimental del proceso de flotación de un mineral aurífero

Director: Alberto Bejarano

Comité Editorial: Adolfo Marchese García Daniel Mendiburu Zeballos Dante Muñoz Díaz Elmer Ramírez Quiroz Hernán Zapata Gamarra Jorge Bastante Pazos Mayra Pinedo López Pablo Moreno Romaní

Colaboradores: Alfredo Saire Huamán Athula Kulatunga Ernesto Godines De la Cruz Fred Chou Henry Gómez Urquizo José Reyes Miranda Luis Sánchez Zúñiga Manuel Manyari Rivera Miguel Valencia Amado Ramón Robalino Gómez Raúl Medrano Tantaruna Renatto Gonzales Figueroa Ronmel Valcárcel Bornas 64

Corrector de estilo: Jorge Alvarado Cevallos

Diseño y diagramación: On Time Publicidad & Marketing

Impresión: Tarea Asociación Gráfica Educativa

Hecho el depósito legal en la Biblioteca Nacional del Perú: 2007-04706 Tecsup Arequipa: Urb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero.

Arequipa, Perú

Lima: Av. Cascanueces 2221 Santa Anita. Lima 43, Perú

Trujillo: Vía de Evitamiento s/n Víctor Larco Herrera, Trujillo, Perú

Publicación Semestral Tecsup se reserva todos los derechos legales de reproducción del contenido, sin embargo autoriza la reproducción total o parcial para fines didácticos, siempre y cuando se cite la fuente.

Nota Invest Apl Innov 2(2), 2008 Las ideas y opiniones contenidas en los artículos son de responsabilidad de sus

autores y no refleja necesariamente el pensamiento de nuestra institución.

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Sánchez L. – Diseño y optimización experimental del proceso de flotación de un mineral aurífero

EDITORIAL I + i, es un vínculo para estrechar la relación con el público académico, empresarial peruano y extranjero, a fin de enriquecer el conocimiento a través de investigaciones aplicadas. Es una gran satisfacción entregar en forma semestral una publicación que contiene propuestas de innovación, producto de trabajos especializados y proyectos elaborados por los docentes de Tecsup y otras universidades de ingeniería, quienes buscan compartir su experiencia y contribuir al desarrollo del país.

Nuestra revista, es un desafío alcanzado, por lo cual todos los que trabajamos en su producción nos sentimos felices y muy orgullosos; es una publicación que aporta al logro concreto de los objetivos de brindar ingeniería con mayor orientación a la práctica, los cuales son cada vez más reconocidos y valorados en el mundo.

Al momento de la publicación de este cuarto número hay dos sucesos importantes que marcan nuestro trabajo como organización y como país. El primero es que, en octubre pasado, nuestras carreras de Procesos Químicos y Metalúrgicos, Electrónica y Automatización Industrial, Mantenimiento de Maquinaria de Planta y Electrotecnia Industrial, fueron doblemente acreditadas, tanto por la Agencia Alemana para Acreditación de Carreras de Ingeniería, Informática, Ciencias Naturales y Matemáticas (ASIIN) como carreras que cumplen requisitos de calidad docente y administrativa que se exigen en las universidades alemanas y también la Acreditación Europea de Programas de Ingeniería (EUR- ACE), que otorga la acreditación y el reconocimiento de calidad válidos a nivel de Europa.

65

El segundo evento es la reunión del Foro Económico Asia Pacífico (APEC) realizado en noviembre y en el que participaron líderes de 20 países que, al juntarse, concentran la mitad del comercio mundial y más de 2.600 millones de habitantes.

Estos dos acontecimientos nos colocan frente a una posición en la que, aprovechando nuestras capacidades profesionales, infraestructura y relaciones con la comunidad vinculante, nos impulsa a crear y promover más conocimiento desde nuestras aulas, talleres y laboratorios.

Por todo esto agradecemos a nuestra plana docente por apoyar con su excelente trabajo, la elaboración de contenidos de I+i, en algunos casos en colaboración con profesores de la Universidad de Purdue de Estados Unidos, a los alumnos, egresados y a los miembros de los comités técnicos consultivos por su compromiso con el desarrollo tecnológico del país. A todos ellos nos debemos y por eso seguiremos buscando aplicar el saber.

Comité Editorial

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Diseño y optimización experimental del proceso de flotación de un mineral aurífero Design and experimental optimization of flotation process of an auríferous mineral

Luis Sánchez

Resumen El objetivo del estudio metalúrgico consiste en determi-

The methodology used in the metallurgical tests inclu-

nar el rendimiento de la aplicación del proceso de flota-

ded applying a factorial design with six variables and

ción sobre un mineral aurífero que proviene de la zona

by using statistical analysis, by which we were able to

sur del país.

optimize the flotation process parameters whose variables were: Reagent level dosage and the number of the

El alcance de las pruebas metalúrgicas se realizó en los

cleaner stage.

laboratorios del Departamento Química y Metalurgia y consistió en la ejecución de las pruebas de flotación con

By applying flotation gives a 90% recovery of gold at a

el fin de obtener los niveles óptimos de dosificación de

grade of 63% grinding mesh 200.

reactivos.

The conclusion of the experimental work is that the mi-

66

La metodología empleada en las pruebas metalúrgicas se

neral under study is likely to be treated by flotation and

aplicó en un diseño factorial con seis variables y mediante

laboratory results are the basis for developing the profi-

el análisis estadístico se logró optimizar parámetros del

le of the treatment project at an industrial level.

proceso de flotación cuyas variables fueron: dosificación de reactivos y el número de etapas de limpieza.

Palabras claves

Mediante la aplicación de flotación se obtiene una re-

Diseño experimental, flotación, recuperación oro, ratio

cuperación de 90% de oro a un grado de molienda 63%

concentración, reactivos.

menos malla 200.

Key words

La conclusión del trabajo experimental es que el mineral aurífero es factible de ser tratado por flotación y los

Experimental design, flotation, recovery of gold, ratio of

resultados de laboratorio sirven de base para elaborar el

concentration, chemical reagents.

perfil del proyecto de tratamiento a nivel industrial.

Introducción

Abstract Los tratamientos metalúrgicos que se aplican a los miThe objective of the metallurgical study, is to determine

nerales de oro se basan en las siguientes característi-

the performance of the implementation of the flotation

cas tecnológicas:

process on a gold-bearing mineral which comes from the south of the country.

a) La gran diferencia de densidad y/o gravedad especifica del oro con respecto a la ganga, así como su

The tests were conducted in the laboratories of the Che-

masa y volumen considerable de la partícula de oro.

mistry and Metallurgy Department, through flotation tests

b) La solubilidad del oro en soluciones alcalinas dilui-

in order to obtain optimum levels of reactive dosage.

das de cianuro.

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c) La reconocida flotabilidad del oro cuando se presenta al estado libre o asociado a sulfuros.

minerales con alto ángulo de contacto son aerofílicos, es decir tienen mayor afinidad por el aire que por el agua.

La mayor parte de los minerales en estado natural no son

El proceso de flotación es una técnica de concentra-

repelentes al agua y, por tanto, conviene agregar reacti-

ción que utiliza las propiedades fisicoquímicas de los

vos de flotación a la pulpa.

minerales. En este proceso, partículas flotables son colectadas en los productos espumas dejando la parte no flotable en la pulpa. La ley del concentrado es un parámetro crítico, el cual decide la solidez financiera del proceso industrial. Para producir un concentrado de ley requerida, el grado de influencia de los parámetros del proceso y su optimización requiere de la aplicación de un diseño factorial.

Figura 1. Ángulo de contacto entre burbuja y partícula en un medio acuoso.

Fundamentos La actividad de una superficie mineral en relación con los reactivos de flotación en el agua depende de las fuerzas que operan sobre esa superficie. En la Figura 1 se muestran las fuerzas que tienden a separar una partícula y una burbuja.

Procedimiento Caracterización mineralógica De acuerdo con el estudio mineragráfico, las principales especies observadas en el mineral son: esfalerita, enargita,

Las fuerzas de tensión conducen al desarrollo de un ángulo entre la superficie mineral y la superficie de la burbuja. En el equilibrio: ∂S/A = ∂S/W + ∂W/A cos

galena, limonita y pirita, siendo la pirita la principal portadora de oro y plata.

Los sulfuros observados al microscopio indican la siguiente relación entre elementos químicos y minerales portadores:

Donde: ∂S/A , ∂S/W , ∂W/A son las energías superficiales entre

Cu

las fases sólido-aire, sólido-agua y agua-aire, respectiva-

mente y  es el ángulo de contacto entre la superficie mineral y burbuja.

67

– Presente en cobre gris, calcopirita, enargita y sulfuros secundarios de cobre

Pb

– Presente en galena

Zn

– Presente en zinc

As/Sb

– Presente en cobre gris, enargita

La fuerza necesaria para romper la interface partículaburbuja es llamado trabajo de adhesión, S/A, y es igual al trabajo necesario para separar la interface sólido-aire y produce las interfaces separadas aire-agua y sólidos-

La característica mineralógica se muestra en la Tabla 1.

agua es decir S/A = ∂W/A + ∂S/W - ∂S/A

Especie mineralógica

Fórmula química

Cobre gris

(Cu,Fe,As)12 (As,Sb)4 S13

(grupo de tetraedrita) Al combinar con la ecuación anterior se tiene: S/A = ∂W/A (1- cos )

Calcopirita

CuFeS2

Covelita

CuS

Digenita

Cu9S5

Esfalerita

(Zn,Fe)S

Mientras mayor sea el ángulo de contacto más grande

Enargita

será el trabajo de adhesión entre la partícula y la burbu-

Cu3AsS4

Galena

PbS

Pirita

FeS

ja; además el sistema es más elástico ante las fuerzas de rompimiento. Por consiguiente la flotabilidad de un mineral aumenta con el ángulo de contacto se dice que los

Tabla 1. Especies mineralógicas presentes en el mineral.

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Composición química

Las condiciones comunes de trabajo de las pruebas se presentan a continuación:

El mineral en estudio presenta la siguiente composición química resumida en la Tabla 2.

Au

Ag

Pb

Zn

Mn

Fe

g/t

g/t

%

%

%

%

7,8

601

0,1

3,6

0,095 0,17

Azufre (sulfuro) % 2,24

Peso mineral

:

1000 g.

PH

:

Natural

Concentración sólidos

:

32,0 %

Velocidad de agitación rougher

:

1300 rpm

Velocidad de agitación cleaner

:

1000 rpm

Tabla 2. Composición química del mineral

Prueba

Condiciones experimentales El mineral, previamente molido al tamaño apropiado, fue adicionado a una celda de acero inoxidable de 2,7 L. La

PF 1 PF 2 PF 3

Tiempo (minutos) Limp. Cleaner Cleaner Acond. Rougher Scav.

Scav.

1 2 6

flotación se realizó en la celda mecánica Denver D-12. La

9

9

2

4

2

Tabla 4. Tiempo de flotación.

velocidad del impulsor fue ajustado a 1300 RPM (Rougher y Scavenger), 1000 RPM (Limpieza). La succión gene-

Diseño experimental

rada por el impulsor provee la aireación requerida para la formación de la espuma.

El objetivo de las pruebas de flotación mediante diseño experimental consiste en obtener recuperaciones de pla-

68

Las espumas fueron retiradas manualmente con una pa-

ta y oro sobre el 90%, con leyes de concentrado de cali-

leta de jebe y colectada en bandejas de loza donde el mi-

dad comercial y altos radios de concentración, tomando

neral fue decantado, se trabajo a temperatura ambiente.

como factores de evaluación la dosificación de colectores principales/secundarios, dosificación del depresor de

El mineral flotado fue filtrado a presión, la muestra fue

lamas y el número de etapas de limpieza.

secada mediante una estufa a 110ºC. Se ejecutaron nueve pruebas metalúrgicas de flotación

Flotación experimental

experimental con el mineral aurífero. El diseño de pruebas se presenta a continuación:

El objetivo de las pruebas de flotación experimental consiste en determinar el efecto de la fineza de molienda en

Dosificación de reactivos (g/t)

la recuperación de oro y plata privilegiando la recuperación en el circuito rougher-scavenger y la determinación del radio de concentración.

El trabajo experimental consistió en la ejecución de tres pruebas metalúrgicas de flotación rougher-scavenger, en las que se estudió el efecto de la fineza de molienda y de la dosificación de los reactivos promotores/colectores.

Prueba

Prueba Silicato de sodio

A-208

A-404

Z-6

A-3418

Etapas de Limpieza

PF 4

50

40

40

10

30

2

PF 5

50

40

10

80

10

2

PF 6

50

10

40

10

10

3

PF 7

10

40

10

10

30

3

Granulometría

Dosificación de

PF 8

50

10

10

80

30

3

% menos malla

reactivos (g/t)

PF 9

10

10

40

80

30

2

PF 10

10

40

40

80

10

3

PF 11

10

10

10

10

10

2

PF 12

30

25

25

45

20

2

200 PF 1

58

PF 2

63

PF 3

68

Z–6 80

MIBC 30

Tabla 5. Diseño de Pruebas de Flotación.

Tabla 3. Condiciones de trabajo.

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Resultados

Las variables fueron:

Se realizaron inicialmente tres pruebas de flotación a fín

Min Máx.

• Silicato de sodio (g/t)

10

50

• A-208 (g/t)

10

40

• A-404 (g/t)

10

40

• A-3418 (g/t)

10

30

• Z-6 (g/t)

10

80

• Limpieza (etapa)

2

3

de determinar el efecto de la granulometría en la recuperación de oro y poder definir el grado de molienda más óptimo. Los resultados se presentan en la Tabla 6.

Prueba Granu- Ensaye Au (g/t) lomeConcen- Relave tría trado % menos malla 200

Recuperación Au (%)

Radio de Concentración

PF 1

58

84,18

0,62

88,1

14,89

PF 2

63

95,12

0,62

90,1

15,08

PF 3

68

97,7

0,68

85,9

Prueba

17,72

Ensaye Au (g/t) Concen-

Relave

trado

Tabla 6. Resultados de las pruebas de flotación.

Recupera-

Radio de

ción

Concen-

Au (%)

tración

PF 4

130,52

0,56

84,3

22,27

Los resultados nos demuestran que la granulometría

PF 5

96,54

0,54

89,8

15,93

producida en la molienda del mineral es importante por-

PF 6

230,67

0,72

66,8

75,48

PF 7

189,46

0,58

66,3

54,19

perar 90% de oro, incrementar la molienda mayor a 63%

PF 8

111,56

0,56

78,4

23,51

menos malla 200 la recuperación de oro decrece según

PF 9

91,04

0,52

88,3

15,64

PF 10

67,27

0,61

50,4

137,94

PF 11

174,66

0,62

80,6

37,22

PF 12

113,62

0,58

88,4

18,70

que permite liberar el oro asociado a los sulfuros. De esta forma, la molienda a 63% menos malla 200 permite recu-

se puede ver en la Figura 2.

69

Tabla 7. Resultados metalúrgicos obtenidos en el diseño factorial de las pruebas de flotación.

La calidad de los concentrados oro-plata puede ser mejorado mediante etapas de limpieza. Para mejorar la calidad del concentrado oro-plata se realizaron dos etapas de limpieza. El diagrama de flujo donde se indica las condiciones de flotación demostrado en la Figura 3.

De acuerdo con la metodología del diseño factorial es Figura 2. Recuperación de oro vs. granulometría.

importante determinar los efectos de las variables estudiadas sobre la variable respuesta (recuperación de oro)

A continuación se aplicó un diseño factorial a fin de de-

y a continuación modelizar el proceso, por lo que se pre-

terminar el efecto de cinco variables: adición de silicato

sentan las Tablas 8 y 9.

de sodio, A-208, A-404, Z-6, A-3418 y el número de etapas de limpieza.

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Prueba

X0

X1

X2

X3

F1

X4

X5

X6

Y1

1

1

1

1

1

-1

1

1

1

84,3

2

1

1

1

-1

1

1

-1

-1

89,8

3

1

1

-1

1

1

-1

-1

1

66,8

4

1

-1

1

-1

1

-1

1

1

66,3

5

1

1

-1

-1

-1

1

1

1

78,4

6

1

-1

-1

1

1

1

1

-1

88,3

7

1

-1

1

1

-1

1

-1

1

50,4

8

1

-1

1

-1

1

-1

1

-1

80,6

Tabla 8. Plantilla codificada de experimentos con un criterio de optimización y una variable ficticia.

Prueba

X0

X1

X2

X3

F1

X4

X5

X6

Y1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

84,3

2

1

1

1

-1

1

-1

-1

-1

89,8

3

1

1

-1

1

-1

-1

1

-1

66,8

4

1

-1

1

-1

-1

1

1

-1

66,3

5

-1

1

1

1

-1

1

-1

-1

78,4

6

-1

1

-1

-1

1

1

1

-1

88,3

7

1

-1

-1

1

1

1

-1

-1

50,4

8

-1

-1

1

1

1

-1

1

-1

80,6

(X)T(Y)

604,9

33,7

-23,3

-25,3

17,5

8,9

29,7

-81,1

8,425

-5,825

-6,325

4,375

2,225

7,425

-20,275

4,21

-2,91

-3,16

2,19

1,11

3,71

-10,14

Efectos 75,61

70

Tabla 9. Determinación de los efectos de las variables.

Figura 3. Esquema de flotación PF 5.

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En la Tabla 9 determinamos lo siguiente:

• El incremento en la adición del A-3418 permite aumentar la recuperación de oro en 3%.

• El efecto de incrementar la adición de silicato de sodio aumenta la recuperación de oro en 4, 2 %.

• El incremento del número de etapas de limpieza disminuye la recuperación de oro en 10%.

• La adición de los colectores A-208 y A-404 no tienen efecto positivo en la recuperación de oro.

A continuación en la Tabla 10 realizamos el análisis de varianza y determinamos el modelo matemático.

SS error

19,140625

SSM

19,140625

Fuente de Variación

Suma de cuadrados

Grados de Libertad

Media de cuadrados

F0

X1

141,96

1

141,96

7,417

74,17

X2

67,86

1

67,86

3,545

35,45

X3

80,01

1

80,01

4,180

41,80

F1

38,28

1

38,28

2,000

20,00

X4

9,90

1

9,90

0,517

5,17

X5

110,26

1

110,26

5,761

57,61

X6

822,15

1

822,15

42,953

429,53

SS error

19,14

1

19,14

Total

1289,57

8 Tabla 10. Análisis de varianza.

Modelo matemático: Y est. = 75,61 + 4,21X1 – 3,16X3 +3,71X5 – 10,14X6

71

Y

Yest.

(Y – Y est.)

79,47

70,23

9,24

84,05

89,41

-5,36

77,72

90,51

-12,79

52,02

88,41

-36,39

40,46

83,09

-42,63

60,83

96,83

-36

SS error

5084,6176

62,09

74,67

-12,58

MSR

1271,1544

67,56

82,09

-14,13

F

66,41

Para un nivel de significancia del 99% y para 1 y 2 gra-

El modelo matemático a escala codificado es:

dos de libertad el valor de F es 98,50 y ésta es mayor que

Recuperación Au (%) =

66,41, por lo tanto el modelo matemático ajusta o representa adecuadamente los datos experimentales.

Decodificación del modelo matemático a escala natural

mos:

3

= = = =

117,84 0,21 -1,90 0,37

20

2,5

a4

=

-20,28

10

0,5

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5

Z6

Nivel inferior (-)

10

10

10

10

10

2

Nivel superior (+)

50

40

40

80

30

Centro diseño (Z0)

30

25

25

45

Radio diseño (dZ)

20

15

15

35

Relaciòn (e)

1,5

1,67 1,67 1,29 2,00

5,0

X1

X2

X6

X4

Reemplazando los datos a las fórmulas anteriores, tenea0 a1 a2 a3

Descripción

X3

75,61 + 4,21X1 -3,16X3 +3,71X5 – 10,14X6

X5

Recuperación Au (%) = 117,84 + 0,21Z1 -1,90Z3 + 0,37Z5 -20,28Z6

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Sánchez L. – Diseño y optimización experimental del proceso de flotación de un mineral aurífero

Condición

Recuperación (% Au) Calculado

Real

1

98,93

84,3

2

91,53

89,8

3

71,25

66,8

4

70,25

66,3

5

78,65

78,4

6

90,53

88,3

7

92,85

50,4

8

62,85

80,6

9

91,03

88,4

• En un proceso continuo la dosificación de reactivos decrecerá por efecto de la recirculación de los medios.

Referencias [1] Wills, Barry A. Tecnología de procesamiento de minerales.

México. Editorial Limusa. 1994.

[2] Montgomery, Douglas C. Diseño y análisis de experimentos.

Nueva York. Editorial Wiley, 1990.

[3] Cytec. Mining Chemicals. Handbook. 2002.

En el desarrollo experimental un factor que influye negativamente en la recuperación de oro es el incremento en el número de limpiezas; adicionalmente la recuperación de oro es sensible positivamente a la adición del silicato de sodio y del A-3418.

Finalmente, sobre la base de los resultados obtenidos en el trabajo experimental es posible diseñar el circuito de tratamiento del mineral en estudio.

[5] Tecsup. Archivo de informes de investigación metalúrgica del Dpto. Química-Metalurgia, años 2007-2008.

Acerca del autor

metalúrgica igual a 89,8% y radio de concentración

Luís Sánchez Zúñiga es ingeniero metalúrgico. Es investigador en el área del procesamiento de los minerales. Tiene experiencia laboral en empresas mineras, focalizando su desarrollo profesional en la implementación de procesos metalúrgicos y supervisión en plantas concentradoras de minerales de oro, plata y cobre. Sus áreas de interés son: Hidrometalurgia del oro y diseño de plantas metalúrgicas. Es consultor en Investigación Aplicada de los Servicios a la

igual a 16.

Industria Minera de Tecsup.

Conclusiones • Las pruebas de flotación del diseño experimental

72

[4] Ayala Mina, Jorge; Pardo Mercado, Richard. Optimización por diseños experimentales. Concytec. Lima, Perú.

del mineral demuestran que la recuperación de oro es sensible positivamente a la adición del promotor 3418-A y del silicato de sodio. En la prueba más óptima (PF 5) se produce un concentrado que contiene 96,5 g/t de oro con un indicador de recuperación

• De los resultados se puede concluir que para el tratamiento del mineral se requiere un grado de molienda de 63% menos malla 200 y de la adición de los promotores A-3418 y A-208 para obtener recuperación en oro del orden del 90%.

• Los resultados en cuanto recuperación de oro de las pruebas de flotación PF- 9 y PF-12 tienen valores cercanos al óptimo, pero requieren del incremento de la adición del colector secundario A-3418 entre 30 y 20 g/t.

• El mínimo radio de concentración obtenido en las pruebas de flotación es 15 y al incrementar dicho valor decrece la recuperación de oro.

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Accionamiento de motores de corriente contínua sin escobillas (BLDC) para principiantes diseñadores de circuitos Brushless DC (BLDC) Motor Drive for Novice Circuit Developer Athula Kulatunga, Fred Chou

Resumen

Keywords

Motores DC sin escobillas (BLDC) han sido exitosamente

BLDC controller, energy savings, microcontroller

usados para reemplazar motores de inducción monofásicos en electrodomésticos, aire acondicionados, bombas ,

Introduction

etc. Aun cuando un BLDC cuenta con muchas caracteristicas atractivas , este requiere un controlador más sofis-

Brushless DC motors (BLDC), also known as Permanent

ticado . Un controlador simple puede ser desarrollado

Magnet Synchronous Motor (PMSM), Permanent Magnet

usando microntroladores y módulos de potencia IGBTs

AC Motor, Interior Permanent Magnet Motor (IPM), and

integrados. Este artículo describe los pasos a seguir para

Surface Permanent Magnet Motor (IPM), have been used

el desarrollo de un sencillo controlador para BLDC.

to replace traditional, single-phase induction motors and the gear boxes accompanied with them in many applian-

Abstract

ces. It is not surprise to find BLDCs in fans, blowers, washing machines, pumps, and hub-motors in electric vehi-

Brushless DC motors (BLDC) have been successfully used

cles. BLDCs are popular because of low manufacturing

to replace traditional single-phase inductions motors in

cost, ability to control speed and rotation via electronic

appliances, air-conditioners, pumps, etc. Even though a

controllers, and low maintenance requirements.

73

BLDC comes with many attractive characteristics, it requires a more sophisticated motor driver. A simple driver

If you lack the background knowledge related BLDC, the

can be developed by using microcontrollers and integra-

Reference [1] & [2] are good resources to learn the basics

ted, IGBT based power modules. This paper describes de-

of BLDC motor construction, operation, and control. You

veloping steps of a simple BLDC controller.

will soon find the low cost motor also requires sophisti-

Palabras claves

cate electronic controllers. The purpose of this paper is to show you how to build a simple BLDC controller using available technologies.

Controlador BLDC, Ahorro de energía, Microcontrolador.

Figure 1. Block diagram of a BLDC controller. (Photo courtesy: International Rectifier Company).

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Kulatunga A., Chou F. – Brushless DC (BLDC) Motor Drive for Novice Circuit Developer

Figure 2. Sequence of current flow. (Photo courtesy: Bodine Electric Company).

FUNDAMENTALS Figure 1 illustrates the major circuits of a simple BLDC mo-

bus voltage after going through a rectifier and a capaci-

tor controller. The motor consists of a 3-phase winding

tor. If a voltage doubler is used as shown in figure 1, the

and three Hall Effect sensors, which senses the rotor po-

bus voltage may reach to 300V. So, how can you protect

sition. The controller receives the power from a 1-phase

yourself, equipment, and the circuit under development?

supply and converts to DC voltage (Bus Voltage). The DC

74

bus voltage is then chopped, according to a predetermine

During the development stage, always use an isolation

pattern, by a six Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs).

transformer to eclectically isolate the circuits and the

IGBTs have specific drive requirements. Driver design may

power source. Choose a one-to-one isolation transformer

be too hassle for a novice developer. On the other hand

that matches your maximum load requirements.

Integrated Power Modules (IPM), a single chip that combined the driver circuits, IGBTs, and other protection circuits,

One of the most common mistakes done by beginners

is good choice if the chips specifications meet the appli-

is accidental grounding of floating voltages via oscillos-

cation requirements. The IPM requires TTL compatible sig-

copes’ ground connection. You need differential probes

nals, which can be provided by a microcontroller.

(600V rating) for your oscilloscope. Three differential probes and a DC current clamp for the oscilloscope make the

Since the motor is the final controlled element, the deve-

measurement taking easier and safer. A variable voltage

loper must understand the drive requirement of the mo-

transformer (variac) is also recommended. A variac will

tor. Typically, a motor datasheet provides the necessary

help you to increase the bus voltage gradually as you test

firing sequence or it can be obtained form the motor ma-

your IGBT modules.

nufacturers. Figure 2 depicts the direction of current flow in order to move the magnetic field of the stator winding

Controller layout

along one direction. By firing the IGBTs according to specific sequence, the desired current flow can be obtained.

A commercial BLDC controller may not allow you to examine the operation of each block in detail. The following

Procedure

design is developed to give the novice developer a greater access to the controller signals.

Controller Development-Safety

First item is to determine the maximum current and voltage output of the controller. The IPM and the bridge rec-

If you are using utility supply as the input to the controller,

tifier should be able to handle the motor’s voltage and

appropriate safety measures must be taken during the

current requirements. An IPM is ideal for novice learner,

powered testing of your prototype. An 110Vrms has the

instead of using discrete IGBTs and the separate drivers,

peak voltage around 155V. This voltage becomes the DC

because it includes IGBT’s, drivers for IGBTs, current limi-

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Kulatunga A., Chou F. – Brushless DC (BLDC) Motor Drive for Novice Circuit Developer

ting feature, and thermal shut down circuits, all in one package. All you have to do it to provide external power and TTL signals from a microcontroller. For this design IPM made by International Rectifier (IR), IRAMS10UP60A, is selected. IR’s IPM can handle more than the motor selected for this project; BODINE, ¼ HP, 130V, 3500 rpm BLDC motor.

Next item is the microcontroller. Developers may chose a microcontroller based on many factors, such as programming language, I/O needs, dedicated PWM features, etc. For this project ATMEL microcontroller was chosen. A simple BLDs code is also provided by ATMEL that makes the development easier. The program was altered to add start/stop and forward/reverse features. Figure 3 provides the additional lines that were added to the code obtained from ATMEL [3]. /* - File : avr448.c - Compiler : CodeVision 1.25.0a Evaluation Version.

- Revision Date : 7/25/08 - Devices : ATmega48 and IRAMS10UP60A - Description : Example of how to control a BLDC motor using pin change interrupts connected to hall sensor output to control motor commutation, and PWM-controlled power to the drive stage.

- Based off of AVR448, Control of HV 3Phase BLDC Motor by Atmel #include <mega48.h> // Global variables. unsigned char RunClockwise = 1; //Start with clockwise rotation. unsigned char IPM_B4_PWM = 0xFF; //Control signals to IPM driver chip, off (Active low) void main(void) { unsigned char speed; //POT -> ADC -> Speed (1-255) // Initialize I/O-ports (Output to IPM) PORTB= ~0x3F; // 6 bits of PORTB to be high DDRB = 0x3F; // set PORTB6 bits as output //Initialize ADC to CPU/4 speed, channel 5, free running mode. (Speed Control) ADCSRA |= 0b11100010; //ADC Enable, ADC Start Converstion-free running, ADC Auto Trigger, ADC/4.

ADMUX |= 0b00100101; //AREF as Vref, Left adjust results, ADC Channel 5 //Initialize PWM output OC2B from Timer/ Counter2 at 20kHz base freq @ 8MHz CPU. TCCR2A |= 0b00110001; //Set OC2B (Pin5) on Compare Match, Phase Correct PWM & OCRA as TOP TCCR2B |= 0b00001001; //Phase corret PWM, No prescaling on CLK OCR2A = 200; // 200 decimal TOP, set for 20kHz OCR2B = 100; // This starts PWM output at 50% duty cycle DDRD.3 = 1; //enable PWM output at OC2B, Pin5 // Set up and Enable Interrupts PCMSK1 |= 0b00000111; //Pin Change Mask PCINT10-8 enabled (PORTC 2-0) PCICR |= 0x02; //Enable Pin Change interrupts from PORTC // Start interrupts by forcing Hall Inputs to 0, then switching pins to inputs.

DDRC = 0b00000111; // 3 Hall Inputs pulled to 0 volts.

PORTC = 0x00; PORTC = 0b00000111; //Internal Pullups for Hall sensors on DDRC = 0x00; // Port C switched back to all inputs.

SREG |= 0x80;// Enable Global Interrupts DDRD.1 = 0; //Input from Motor Direction Control PORTD |= 0b00000010; // Motor Direction control input pullups while(1) // IPM_B4_PWM is updated via a Pin Change Interrupt { if( PIND.1 == 1) // Direction control PD1 directional control, pull high or low RunClockwise = 0; else RunClockwise = 1; // Update speed setting from ADC reading. speed = ~ADCH; if( speed >= 200 ) speed = 200; //rev limit setting // OCR2B = speed; if( speed <= 110 ) speed = 110; OCR2B = speed; // If OC2B is high, send inactive outputs to IPM. if( PIND & (1 << 3) ) { PORTB = 0xFF; //active high inputs for IPM. } else { PORTB = IPM_B4_PWM; //active high inputs for IPM } } } //! Pin Change Interrupt for PORTC (PCINT8..14). interrupt [PCINT1] void Pin_Change_Int_

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Kulatunga A., Chou F. â&#x20AC;&#x201C; Brushless DC (BLDC) Motor Drive for Novice Circuit Developer

76

Serv(void) { unsigned char Hall_In; Hall_In = PINC & 0b00000111; //Lower 3 bits of PINC are Hall sensor inputs if( RunClockwise ) // Based on Hall inputs select 1 of 6 patterns to send to IPM via MAIN() { switch(Hall_In) { case 4: IPM_B4_PWM = 0b110011; break; case 0: IPM_B4_PWM = 0b110101; break; case 1: IPM_B4_PWM = 0b011101; break; case 3: IPM_B4_PWM = 0b011110; break; case 7: IPM_B4_PWM = 0b101110; break; case 6: IPM_B4_PWM = 0b101011; break; // All outputs off if illegal Hall sensors. default: IPM_B4_PWM = 0b111111; } } else { // This is counter-clockwise Switch statement. // Based on Hall inputs, select 1 of 6 patterns to // send to IPM via main(). switch(Hall_In) { case 6: IPM_B4_PWM = 0b011101; break; case 7: IPM_B4_PWM = 0b110101; break; case 3: IPM_B4_PWM = 0b110011; break; case 1: IPM_B4_PWM = 0b101011; break; case 0: IPM_B4_PWM = 0b101110; break; case 4: IPM_B4_PWM = 0b011110; break; // All outputs off if illegal Hall sensors. default: IPM_B4_PWM = 0b111111; } } }

Now, a circuit can be drawn to interconnect microcontroller, IPM, and power supplies as shown in Figure 4. The PCB was developed using the free circuit layout software provided by Advanced Circuits (www.4PCB.com). The footprints for several components had to be custom drawn.

The board is divided into four major areas: low voltage DC, High voltage DC, microcontroller, and IGBT module (or IPM). The low voltage DC section consists of a linear, regulated, DC power supply that provides +5V for microcontroller operation and +15V for IPM operation. This power supply can be easily replaced by a much smaller switching power supply in later developments. The high voltage DC section converts single-phase, 110VAC, line voltage into DC bus voltage via a bridge rectifier and a smoothing capacitor. The IPM receives the DC bus voltage and switches according the control signals receive from the microcontroller to create phase shifted 3-phase waveforms. Microcontroller senses the position signals created

by Hall Effect sensors located in the motor to determine the next firing sequence for IPM. The completed controller board is shown in Figure 5. IPM and its heat sink are mounted on the top right corner.

Many test points are made available to measure low voltages, DC bus voltage, microcontroller outputs, Hall Effect sensor output, and the IPM output. Fusses are essential to limit any short circuit currents. The current limiting feature of the IPM is not in use but the line fuse is adequate for the initial development. It is recommended to employ the current limiting feature for late developments.

Figure 3. Modified ATMEL code

Figure 4. PCB layout

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Kulatunga A., Chou F. â&#x20AC;&#x201C; Brushless DC (BLDC) Motor Drive for Novice Circuit Developer

Is the motor torque going to be smooth? Well, letâ&#x20AC;&#x2122;s take a look at the true nature of the wave forms. Figure 7 illustrates an explored view of the same waveforms. Notice the current has some fluctuations. Yet this may not be a problem in some applications such as fans and pumps.

Lets see what would happens if we drive a pump using the same motor.

Figure 5. Completed controller

Results of Testing - Signals To test the controller, you need to connect the motor windings and the Hall sensors correctly. Since the IGBTs are 100% on or off, the input AC voltage must be adjusted to meet the maximum voltage of the motor winding. Remember the peak value of the incoming sinusoidal voltage, not the RMS voltage, appears as the maximum bus voltage. With a Variac in place, you may start at a lower

Figure 6. From the top, phase voltages of phase A, B, and

bus voltage and increase to the rated value once you are

C, and the current of phase A.

satisfied with the operation. Figure 6 shows the signals at the motor terminals. From the top, phase voltages for phase A, phase B, and phase C. The four one represents the current of phase A. All waveforms are captured via a LeCroy Wave-runner Oscilloscope, Fluke differential pro-

77

bes (in x20 setting), and a LeCroy 30A current probe.

In addition to the above signals, you may compare the motor signals and microcontroller outputs to observe the relationship. Flip the forward/reverse switch and observe the direction and signals. Why not adding couple of codes to ramp up instead of hard turn on?

Figure 7. Explored view of the waveforms in Figure 6.

Table 2.

BLDC motor performance

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Kulatunga A., Chou F. – Brushless DC (BLDC) Motor Drive for Novice Circuit Developer

References [1] Kulatunga, A., Persson, E., Sundararajan, R., and Herrick, R. (2007). Energy saving potential and characteristics of motors for consumer appliances, Proceedings of the IEEE EIC/EME Conference, TN [2] Yedamale, P. (2003), Brushless DC (BLDC) motor fundamentals, Document # AN885, Microchip Technologies, Inc., 2003, Figure 8. Pumping water with the BLDC motor and the controller.

RESULTS The new controller and its ¼ HP BLDC motor was connected to centrifugal water pump application as shown in figure 7. Fluke 43B power analyzers recorded the data in Table 2 for input and output (motor) side of the controllers. Compare the results to observe wattage, total harmonic distortion (THD) for V & I, power factor (PF). Our simple BLDC controller doesn’t include and EMI filter, as shown in figure 1.

According to the Table 2, total harmonic distortion (THD)

78

of voltage is less than accepted level of 5%. But the THD

[3] AVR448: Control of High Voltage 3-phase BLDC Motor www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2592. pdf (accessed March 2008)

Acerca de los autores Athula Kulatunga holds a BS degree from Pittsburg State University, MS from Eastern Illinois University, and Ph.D. from Purdue University. He is the founder and coordinator of the industry sponsored International Rectifier Power Electronics Development and Application Lab (IR_PEDAL) at Purdue University, West Lafayette, IN, USA. His research focus is in application of power electronics for energy efficiency improvements. He is a Certified Energy Manager (CEM) and conducts energy assessments for industries as well. He was awarded Legends in Energy recognition by the Association of Energy Engineers (AEE) in 2007. He has published more than thirty papers

of current is way above the accepted level of 20%. So, our next goal should be minimizing the THD level of current, which will be discussed in a follow up paper.

Conclusions The development of first motor drive for a BLDC motor can be challenging to novice developer. Integrated Power Modules (IPM) and microcontroller can ease the development process. By building a motor controller from the

Mr. Fred Chou is a senior in the Electrical and Computer Engineering Technology at Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA. He has been working in the industry sponsored International Rectifier Power Electronics Development and Application Lab (IR_PEDAL) at Purdue University. His applied research focuses on various motor drive development using available technologies.

available resources, the developer may sharpen the skill needed for more advanced controllers. These skills include working safely with high voltages, correct use of equipment, PCB development, and testing under real world conditions.

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Modelamiento de una planta de control de nivel mediante identificación no paramétrica Modeling a level control plant by non-parametric identification Raúl Medrano, Ernesto Godinez

Resumen Para el control automático de una variable de un proceso

box de identificación, luego un controlador industrial Sie-

industrial se requiere determinar los parámetros de con-

mens para controlar un módulo de procesos de Nivel con

trol, además de establecer inicialmente el tipo de control

descarga por gravedad.

más adecuado para el proceso en particular. Para este propósito es usual la aplicación de uno de los métodos

Abstract

de sintonía propuestos por Ziegler & Nichols con el fin de calcular los valores de dichos parámetros de un modo

For the automated control of a variable on industrial pro-

práctico.

cess it is necessary to determine the parameters of control, in addition to initially establish the kind of control more

En la especialidad de Electrónica Industrial, los estudian-

suitable for the process in particular. For this purpose, is

tes utilizan este procedimiento para sintonizar los contro-

generally used one of the tuning methods proposed by

ladores de procesos para nivel, flujo, presión, temperatura

Ziegler & Nichols in order to calculate the values of these

o velocidad. Si bien es cierto que esta aproximación pue-

parameters in a practical way.

79

de ser suficiente para la mayoría de los casos, un mejor conocimiento del comportamiento del proceso a controlar

On the Industrial Electronics Department, students are

además de utilizar software de simulación con el modelo

using this procedure to tune the processes for controlling

del proceso puede permitir el ajuste de los parámetros de

level, flow, pressure, temperature or speed. While it is true

control en menor tiempo con mayor aproximación y, por

that this approach may be sufficient for the majority of

lo tanto, optimizar el aprendizaje de los estudiantes.

cases, a better understanding of the behavior of the process to check-in addition to using simulation software,

En el presente trabajo se aplicó la herramienta de identi-

can allow the adjustment of the parameters of control in

ficación de MATLAB para la identificación no paramétrica

less time, with greater approximation and therefore opti-

del proceso de nivel; luego se sintonizó al controlador en

mizing the control.

el proceso simulado y por último se sintonizó un controlador industrial para el control del proceso. Los resultados

In this paper we applied the identification tool of MATLAB

del presente trabajo comparados con el procedimiento

for identifying non-parametric process level, and then

actual, demuestran que efectivamente se ha mejorado el

we tuned the controller in the simulated process and fi-

desempeño del procedimiento de sintonía del controla-

nally tuned an industrial controller to control the plant.

dor de procesos y por lo tanto se aplicarán estas nuevas

The results compared with the current procedure, show

técnicas en todos los laboratorios del curso. Una conclu-

that actually has improved the performance of the pro-

sión importante es que el uso de la tecnología no daría

cedure tuning controller processes and thus will apply

buen resultado sin antes conocer las características pro-

these new techniques in all laboratories of the course. An

pias de cada proceso como, por ejemplo, en el proceso

important conclusion is that the use of the technology

de nivel donde siempre se debe considerar el tiempo

would not give good results without knowing the specific

muerto a pesar de parecer despreciable en Plantas muy

characteristics of each process as for example in the pro-

pequeñas. Es útil indicar que se han usado tarjetas de ad-

cess level, we should always must consider the dead time

quisición de datos NI y el software MATLAB con su tool-

despite apparently it is negligible in very small plants. It is

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Medrano R. , Godinez E. – Modelamiento de una planta de control de nivel mediante identificación no paramétrica

important to indicate that we have used NI data acquisi-

de control proporcional, la cual es motorizada y controla-

tion board and software MATLAB with his identification

da por una corriente de 4-20mA. Una bomba instalada al

toolbox, then a SIEMENS industrial controller to control

interior del reservorio impulsa el agua a la entrada de la

module-level processes with download gravity.

válvula proporcional.

Palabras claves

Las válvulas manuales tipo mariposa deben ser convenientemente ajustadas, de modo tal que se pueda obser-

Identificación no paramétrica, modelamiento, control de

var el llenado del depósito hasta un máximo de 0,9m de

procesos, métodos de sintonía, software de simulación.

altura para la máxima apertura de la válvula proporcional.

Se observa que, a medida que sube el nivel del líquido,

Key words

se ejerce mayor presión hidrostática sobre la válvula de salida X2 lográndose, luego, el punto de equilibrio (caudal

Non-parametric identification, modeling, process control,

que ingresa es igual al caudal que sale). Del conocimiento

tuning methods, simulation software.

de la característica de una planta de nivel [1], trabajando en la zona lineal encontrada según pruebas de curva

INTRODUCCIÓN

de reacción, se sabe que es de primer orden con tiempo muerto y que se consigue un control aceptable con el al-

Teniendo una Planta por controlar, los estudiantes de

goritmo de control PID.

nuestra institución realizan la sintonización del proceso en laboratorio usando el método de “Curva de Reacción” de Ziegler & Nichols para inferir el modelo, habiendo determinado previamente la región lineal. Luego realizan la sintonización por el método del tanteo o del cuarto decaimiento. Tales procedimientos son tediosos, pues demandan mucho tiempo porque el modelo resultante del Proceso no es exacto. La propuesta de esta investigación

80

es comprobar que, identificando el modelo del proceso mediante técnicas no paramétricas apoyadas por un software de identificación, se logra obtener un buen modelo de la Planta y, por lo tanto, incrementar el desempeño del estudiante durante el procedimiento de sintonización del controlador industrial. Se consigue, además, mayor precisión del control de una variable sobre todo el rango lineal de control.

FUNDAMENTOS La Figura 1 muestra el P&ID de la planta de nivel perteneciente a la Especialidad de Electrónica Industrial, la cual va a ser usada para determinar la efectividad del nuevo método de sintonización propuesto. Se observa que la medida del nivel de agua va a ser obtenida de modo indirecto por medio del transmisor de presión PT, es decir que

Figura 1. P&ID del módulo de la planta de nivel.

Elementos utilizados

para determinado valor de peso de agua corresponderá el nivel de líquido respectivo. La altura máxima de la columna de agua es de 1m y se considera que el tanque que

2.1 PT: Transmisor de presión, entrada 0 a 0,25bar y salida de 0 a 20 mA

la contiene es de 0,2m de diámetro, entonces se tiene un

2.2 FT: Transmisor/indicador de flujo, tipo magnético

proceso de capacitancia constante y con región de operación limitada [3]. En este estudio es irrelevante la data

2.3 Válvula proporcional, entrada 4 a 20mA y salida 0 a 2 gpm

del transmisor de flujo FT. La manipulación del caudal que

2.4 Controlador PID industrial, fabricante: SIEMENS, mo-

ingresa en la Planta es realizada por medio de la válvula

delo: DR20

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12/1/08 10:45:09 PM

Medrano R. , Godinez E. – Modelamiento de una planta de control de nivel mediante identificación no paramétrica

2.5 Planta de Nivel: Depósito de agua de 1m de altura y

Curva característica del proceso

0.20m de diámetro 2.6 Una computadora personal implementada con el software MatLab

La curva característica del proceso de nivel nos permite

2.7 Tarjeta de adquisición de datos NI, modelo: PCI6221

identificarán los tramos lineales de la curva para poder

2.8 Módulo convertidor de ±10 Voltios a 4-20mA

conocer la dinámica de la planta, a partir de la cual se establecer el rango de operación adecuado sobre el cual se aplicará el algoritmo de control. Según la Figura 1 que

Linealización del proceso de nivel con descarga por gravedad Modelo no lineal

muestra el proceso, se trata de un proceso autoregulado.

PROCEDIMIENTO La Figura 2 representa las conexiones efectuadas. En la

(1) En donde: A es el área transversal del tanque que es constante en este caso y proporcional a la capacitancia del sistema [3], k es la constante de apertura de la válvula de salida X2, H es la altura del nivel de líquido y Q1 es el caudal de salida.

salida del transmisor tenemos disponible la señal de corriente de 0 a 20 mA, la cual es proporcional al nivel, esto significa que 0m equivale a 0mA y 2,55m equivale a 20mA. Los cables que transportan esta señal se conectan a los bornes 63(+) y 29(-) de la tarjeta de adquisición de datos, en los cuales también se instaló una resistencia de 248Ω, de modo que la señal de corriente de 0 a 20mA es con-

Modelo linealizado alrededor de un punto Q1,0

vertida en una señal de tensión de 0 a 4,96voltios. De

Utilizando la serie de Taylor alrededor de un punto para simplificar la no linealidad.

esta manera ingresa la señal que representa “nivel” hacia la computadora. El nivel máximo obtenido fue de 0.88m lo que corresponde a un voltaje de 1,735V aproximada-

(2)

mente. El rango de medición se expresará en porcentaje, lo cual significa que 0 voltios corresponde a 0% y 1,735

81

voltios corresponde a 100%. Luego tenemos que para un

En donde:

voltaje u de entrada el valor porcentual será v = 57,6u %.

(3)

La ecuación (2) es de primer orden y debido al recorrido del líquido en las tuberías más la posición de los sensores, se debe considerar un tiempo muerto. La no linealidad de los procesos es característica común y por lo tanto es necesario linealizarlo alrededor de un punto de equilibrio y controlar en dicho valor. Mientras el proceso tenga mayor característica no lineal es más difícil de controlar [2] y por lo tanto son necesarios nuevos algoritmos de control avanzado si es que se desea controlar sobre el rango total del proceso (extremo superior del tanque).

Figura 2. Diagrama P&ID de conexiones para identificar la planta de nivel.

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De otro lado, la salida de la tarjeta de adquisición de datos

Curva característica del proceso

es ±10 voltios por medio de los bornes 22(+) y 55 (-), que también debe ser escalado, es decir 0% corresponde a

Para obtener la curva característica, se trabaja en lazo

-10 voltios y 100% corresponde a +10 voltios, por lo tanto

abierto variando y de 0 a 100%, luego se anotan los corres-

para y % de salida tendremos 0,2y-10 voltios, en donde

pondientes valores porcentuales de v, con lo cual se logra

el rango de y es de 0 a 100%. Este voltaje de ±10 voltios

la Tabla 1. Debemos tener presente que la válvula manual

debe ser convertido a corriente de 4 a 20mA mediante el

de entrada al tanque X1 debe estar totalmente abierta y

convertidor de voltaje a corriente. Esta señal de corriente

la válvula manual de salida X2 del tanque debe estar con

es la que alimenta a la válvula proporcional de control.

80% de apertura. La válvula X3 debe estar cerrada.

Configuración de la tarjeta de adquisición de datos

y(%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

v(%)

0

0

0

8.8

12

34

50

63

78.4

93.4

94.1

Teniendo en cuenta el párrafo anterior, en la Figura 3 se muestra que la señal de entrada análoga suministrada

Tabla 1. Curva característica del proceso.

por PT (variable controlada) ingresa en la computadora por medio de la tarjeta de adquisición de datos PCI-6221

Con los valores obtenidos en la Tabla 1 se obtiene la curva

y es convertida a un valor porcentual “v”. Luego la salida “y”

característica del proceso mostrada en la Figura 4, a par-

es transformada de valor porcentual “y%” a voltaje +/-10V

tir de la cual observamos el rango en el cual la curva es

y enviada por la tarjeta de adquisición de datos hacia el

aproximadamente lineal. El rango de salida y% selecciona-

convertidor V/I para el control de la válvula proporcional

do es de 40 a 70% y el rango de entrada correspondiente

que controlará el caudal de entrada (variable manipula-

de 12% a 63%. Dicho rango va a ser usado para determi-

da). Mencionaremos que la tarjeta DAQ ha sido configu-

nar el modelo matemático del proceso, aproximándolo a

rada para trabajar en tiempo real (RT) con SIMULINK en el

un sistema con comportamiento lineal y de dicho modo

programa MATLAB.

se podrá usar y sintonizar un sencillo controlador PID.

82

Figura 3. Escalamiento de la interfaz DAQ y software MATLAB.

Figura 4. Curva característica de la planta de nivel.

Figura 5. Configuración DAQ-SIMULINK para obtener la curva de reacción.

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Curva de reacción

Aplicación de “Identification Toolbox” de MATLAB

Para obtener la curva de reacción, vamos a trabajar en lazo abierto. Nos basamos en la zona lineal por lo que

Para usar la herramienta de Identificación, debemos

cambiamos la salida y% en forma de escalón de 40% a

cargar los datos guardados en el block “Display”, abrir el

70%. Debemos tener presente que para una salida de

Toolbox y trabajar en SIMULINK de MATLAB. La Figura 7

40%, debemos esperar que se estabilice la entrada en

muestra la ventana de trabajo con el procedimiento de

12% de acuerdo con la Tabla 1. La configuración utilizada

carga de datos desde el workspace. Observe que se ha de-

para obtener la curva de reacción se muestra en la Figura

nominado “level” a la identificación a ejecutar.

5, en donde la data “input” (v), “output” (y) y “time” (t) son guardadas en el block “Display”. El resultado del procedi-

De la forma de la curva de reacción observada en la Figura

miento se observa en la Figura 6.

6, se deduce que se trata de un sistema de primer orden y por lo tanto se van a utilizar en “Process Models” los tipos de identificación sin retardo (P1) y con retardo (P1D), tal como se ve en la Figura 8. El programa nos proporciona el valor de la ganancia (K), constante de tiempo (Tp1) y tiempo de retraso (Td) de la Planta de Nivel estudiada. El objetivo de usar los dos modelos es determinar cuál de estos se aproxima mejor a la data del proceso de nivel real, la cual se muestra en la Figura 9. Se observa que el modelo P1D tiene una aproximación de 91,39 superior que 89,22 del modelo P1.

Entonces, el modelo a trabajar tiene los siguientes parámetros:

Figura 6. Curva de reacción en la región lineal.

83 (4)

Dicho modelo representa a toda la Planta, es decir: tanque, tuberías, válvulas y transmisor.

Figura 7. Presentación del “Identification Toolbox” de MATLAB.

Figura 8. Modelos sin y con retardo luego de la identificación.

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Figura 9. Aproximación de modelos a la data medida de la planta nivel.

Simulación usando SIMULINK de MATLAB

Resultados del comportamiento del Proceso Simulado y Proceso Real

Con el modelo de la Planta de nivel de la ecuación (4), y

Simulación del proceso de nivel controlado

haciendo uso de un controlador PID se realizan las simula-

84

ciones respectivas para un punto intermedio de referencia

En las Figuras 11, 12 y 13 se pueden observar las respues-

(Set Point: S.P.) del rango lineal de control entre 0,4 a 0,5m.

tas del sistema controlado con valores de sintonía del

Los valores del controlador hallados luego de las pruebas

controlador ajustados según párrafo anterior.

de tanteo son: Proporcional=3,5; Integral=1; Derivativo=0.

Además se simularán para valores de referencia fuera del rango lineal para niveles de 0,1 a 0,2m; y 0,8 a 0,88m. Luego vamos a comparar con la Planta real controlada por un controlador industrial. La figura 10 muestra el modelo de Planta y controlador a simular.

Figura 10. Modelo de planta de nivel a simular con controlador PID.

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Figura 11. Respuesta del sistema simulado controlado con escalón de 0,1 a 0,2m.

85 Figura 12. Respuesta del sistema simulado controlado con escalón de 0,4 a 0,5m.

Figura 13. Respuesta del sistema simulado controlado con escalón de 0,8 a 0,88m.

Figura 14. Respuesta del sistema simulado controlado con escalón de 0,1 a 0,2m.

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Figura 15. Respuesta del sistema simulado controlado con escalón de 0,4 a 0,5m.

Figura 16. Respuesta del sistema simulado controlado con escalón de 0,8 a 0,88m.

86

Proceso controlado por controlador industrial siemens DR20 En las Figuras 14, 15 y 16 se pueden observar las respuestas del proceso real con el controlador ajustado de acuerdo con los valores Proporcional: 3,5; Integral: 1 y Derivativo: 0. De las figuras presentadas (planta simulada y planta real) se observa que el método propuesto de identificación no paramétrica de procesos, cumple el objetivo principal de optimizar el tiempo de ajuste de parámetros del controlador industrial, pues con los valores de sintonía del controlador simulado ajustados en el controlador real se consigue un control aceptable (se pueden realizar ajuste adicionales) y por lo tanto los estudiantes disminuirán sus pasos de sintonía para dedicar más tiempo al análisis de lo aprendido. Se observan diferencias en el comportamiento del modelo identificado y el modelo real, pues no se están considerando el ruido existente en los sensores, pérdidas en la tubería ante flujo turbulento y fricción en los codos de las tuberías.

RESULTADOS • Se observa que los tiempos del proceso simulado (Figuras 11 a 13) se encuentran sincronizados al reloj del programa simulador en la PC y por esa razón difiere del tiempo visto en el proceso real (Figuras 14 a 16).

• Los sobre impulsos y tiempos de asentamiento observados el proceso simulado (Figuras 11 a 13) son aproximadamente iguales para cada valor de S.P., es decir que la dinámica del proceso es constante. En el proceso real se tiene un resultado completamente diferente (Figuras 14 a 16) y se observan variaciones en el sobre impulso debido a que la dinámica del sistema, específicamente la resistencia del proceso, es variable, dependiendo de la altura del nivel de líquido. La capacitación del proceso es constante pues el área de la sección transversal del tanque es constante [3].

• Del diagrama P&ID (Figura 1), se observa que la bomba se encuentra ubicada de modo tal que el ingreso del líquido es por la parte inferior del tanque, esto con el objetivo de evitar ruido en la variable de nivel.

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Como se trata de un módulo educativo, de pequeño tamaño, se puede despreciar el esfuerzo de potencia eléctrica en la bomba necesaria para sostener la columna de agua de 0,2m de diámetro. En situaciones reales, el ingreso del líquido es por la parte superior.

Se recomienda instalar una tubería para el ingreso del agua por la parte superior para que así los estudiantes puedan investigar las diferencias en cuanto al control del nivel por cada uno de los medios de ingreso de agua (superior e inferior), así como al ahorro de energía eléctrica conseguido en la bomba.

CONCLUSIONES

REFERENCIAS [1] Acedo, J (2003). Control Avanzado de Procesos: Teoría y Práctica. En Díaz de Santos (Ed.). Comportamiento de las variables de Proceso (pp. 200-202). España: Díaz de Santos S.A. [2] Corripio, A (1991). Control Automático de Procesos: Teoría y Práctica. En Noriega (Ed.). Nivel en un Proceso (pp. 116-121). México: Jhon Wiley & Sons, Inc. [3] Ogata, K (2003). Ingeniería Control Moderna, 4 Ed: En Prentice Hall (Ed.). Modelado matemático de Sistemas de Fluidos y Sistemas Térmicos (pp. 152-156).

España: Pearson Educación S.A.

• El planteamiento principal que motivó el presente artículo se ha cumplido al comparar los resultados de las Figuras 11 a 13 y 13 a 16, en los cuales se muestran el proceso simulado y real, respectivamente. Aplicando esta nueva tecnología de adquisición de datos en tiempo real mediante el uso de una tarjeta PCI6221 y el software de identificación de MATLAB, el estudiante deduce un modelo más preciso de toda la Planta (tanque, tuberías, válvulas, sensores) y por lo tanto se optimiza el tiempo de sintonización de un controlador industrial.

• La herramienta tecnológica empleada abre nuevas interrogantes a responder, como por ejemplo: ¿cuáles diferencias existen si el ingreso del líquido es por la parte inferior o superior?, ¿qué sucede en cuanto al consumo de energía utilizada para cada modo de instalación?, ¿se puede controlar el flujo para mejorar el control de la variable nivel?, ¿se puede usar un control en cascada?, etcétera. Se concluye que el ahorro de tiempo obtenido en las actividades de laboratorio puede ser usado para elevar el racionamiento analítico de los estudiantes.

ACERCA DE L0S AUTORES Raúl Medrano Tantaruna es ingeniero electrónico, participó en un programa de entrenamiento en tecnología educativa organizado por la DSE en Mannheim, Alemania. Es profesor de Tecsup en los cursos de control electrónico de potencia, diseño y mantenimiento electrónico, ha implementando varios proyectos para el departamento de Electrónica. Es miembro de la IEEE.

87

Ernesto Godines De La Cruz es ingeniero electrónico e ingeniero electricista, con Maestría en Ingeniería de Control y Automatización.

Es profesor de instrumentación y control en Tecsup.

• Se concluye que un mejor modelo de la Planta usando otras técnicas de identificación, tal como las paramétricas, permitirán mejorar el control del proceso y los estudiantes podrán deducir que cambiando el tipo de controlador PID por otro controlador avanzado se logra optimizar aún más el proceso.

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Determinación del tiempo de barrido para recolección remota de datos en una configuración punto-multipunto Determination of the scan time for remote data acquisition in a point – multipoint configuration Ramón Robalino

Resumen

88

El intercambio de datos entre equipos supone retos tec-

lution is simple. When it involves two equipments over

nológicos que involucran soluciones de hardware y de

the solution is complex. Communication among many

software. Cuando se trata de dos equipos la solución re-

equipments leads to the network concept. The software

sulta sencilla. Si involucra más de dos equipos la solución

that manages the transfer of data between them resolves

resulta compleja. La comunicación entre muchos equi-

problems of access to the media transmission, addressing,

pos nos lleva a la idea de red. El software que gestione

routing, data transmission speed, and so on. The so-called

el traslado de los datos entre ellos resolverá problemas

protocols implement solutions to solve such problems.

de acceso al medio de transmisión, direccionamiento de

The protocol DF1 Half Duplex is one of them; it can im-

los equipos, enrutamiento de datos, velocidad de trans-

plement a communication system based on the schema

misión, etcétera. Los llamados protocolos implementan

master / slave. The first part of this work implements such

soluciones para resolver este tipo de problemas. El pro-

a solution.

tocolo DF1 Half Duplex es uno de ellos, con él podemos implementar un sistema de comunicación basado en el

The Half Duplex protocol is widely used in SCADA sys-

esquema maestro/esclavo. La primera parte de este tra-

tems. These systems perform the collection of data from

bajo implementa una solución de este tipo.

various remote locations, in a centralized location for purposes of monitoring and control. The second part of this

El protocolo Half Duplex se utiliza mucho en los sistemas

paper proposes a method to determine the time involved

SCADA, los cuales realizan la recolección de datos desde

in collecting such data. Using equipment such as perso-

diferentes lugares remotos, centralizándolos en un lugar

nal computers, programmable logic controller, radio mo-

para efectos de supervisión y control. La segunda parte

dems, industrial software and scopes get different wave-

de este trabajo propone un método para determinar los

forms that reflect the operation of the protocol used. It

tiempos involucrados en dicha recolección de datos. Utili-

was possible to see, how the data are transmitted by the

zando equipos como computadoras personales, controla-

radio modems.

dores lógicos programables, radio modems, osciloscopios y software industrial se obtuvieron diferentes formas de

Palabras claves

onda que reflejan el funcionamiento del protocolo utilizado. Se hace evidente también, la forma en que los datos

DF1 Half Duplex, adquisición de datos remotos, radio MO-

son transmitidos por los radio modems.

DEM, tiempo de barrido, punto-multipunto.

Abstract

Key words

The exchange of data between equipments poses cha-

DF1 Half Duplex, remote data acquisition, radio MODEM,

llenges technological solutions that involve hardware

scan time, point-multipoint.

and software. When these are two equipments, the so-

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Robalino R. – Determinación del tiempo de barrido para recolección remota de datos en una configuración punto-multipunto

INTRODUCCIÓN La recolección de datos remotos hacia una estación central presenta varios retos. Este trabajo de investigación aplicada propone una solución para dos de los mismos:

en redes en donde el tiempo de comunicación con las estaciones remotas no es crítico. El presente trabajo está enfocado en esta última configuración.

PROCEDIMIENTO

el primero es la existencia de información genérica y no

En los laboratorios de Tecsup, se implementó una red con

detallada del uso de un protocolo para una configuración

una configuración punto-multipunto y la investigación

punto-multipunto, este es el primer objetivo a lograr. El

se centró en los mensajes intercambiados entre una es-

segundo es un método propuesto para la determinación

tación remota y la estación maestra. Cada una de las esta-

de los tiempos involucrados en el tiempo de barrido de

ciones contó con una computadora para su configuración

un sistema de recolección de datos remotos. Este es tam-

y monitoreo. A continuación se detalla el equipamiento y

bién el segundo objetivo a lograr.

software empleados:

FUNDAMENTOS

• Computadoras para configuración y monitoreo.

• Controladores programables MicroLogix 1100, modelo 1763-L16BWA.

Los sistemas de comunicación actuales permiten que la supervisión y el control de procesos industriales sean

• Radio Modems modelo PLR5000 de Data-Linc Group.

realizados por mandos a distancia. Es así que sistemas de

• Osciloscopios PicoScope. Modelo 3205.

control con PLC, DCS o sistemas dedicados estén orien-

• Software RSLinx Gateway. Revisión 2.40.01 (Build 16)

tados al control integral de procesos que cubren amplias distancias. SCADA son las siglas de Supervisión Control y Adquisición de Datos. Algunos autores lo definen también como la tecnología que habilita la colección de datos de locaciones remotas, así como el envío de información

de Rockwell Software.

• Software RSLogix500 Pro. Revisión 7.00.00 (CPR 7) de Rockwell Software.

• Software Hyper Terminal. Versión 5.1 de Microsoft Corporation.

a estas locaciones. SCADA permite que se omita la necesidad de tener operadores en estas locaciones remotas

Configuración de la red punto a multipunto

que, a partir de ahora, serán conocidas como estaciones remotas.

89

La red utilizada se muestra en la Figura 1.

En una SCADA, la Estación Maestra recibe datos de las condiciones de los equipos en campo que son enviados por las Estaciones Remotas (RTU). Procesa la información y envía comandos a estas para mantener las variables de los procesos dentro de los parámetros establecidos.

La Red de Telemetría permite establecer el intercambio de información entre la estación maestra y las unidades remotas. Cuando hablamos de telemetría nos referimos básicamente a tres componentes: la topología usada que corresponde al arreglo geométrico de los nodos (punto a punto, punto a multipunto, etcétera.), el modo de transmisión, que es la forma cómo viaja la información entre los distintos nodos de la red (full duplex y half duplex) y el medio utilizado para enviar y recibir la información (línea física dedicada, a través del medio atmosférico, a través de las líneas de alta tensión, etcétera.). Existe también la Estación de Supervisión que permite la visualización gráfica del estado del proceso, es decir proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta.

Figura 1. Red punto multipunto.

Para la consecución de nuestro primer objetivo necesitamos configurar los controladores programables. El MicroLogix 1100 posee botones externos que junto con su display nos permite configurar el puerto 0 con el protocolo DF1 Full Duplex. Estableciendo un enlace con su computadora de configuración, configuramos los puertos 0 y 1 del controlador programable que funcionará como estación maestra. Del mismo modo configuramos los puertos

Una configuración punto-multipunto con un modo de re-

0 y 1 del controlador programable que funcionará como

colección de datos basado en mensajes es mejor utilizada

estación remota [1].

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Robalino R. – Determinación del tiempo de barrido para recolección remota de datos en una configuración punto-multipunto

A continuación cargamos el programa en la estación

• Primero: enlazamos óhmicamente la estación maes-

maestra que, haciendo uso de la instrucción MSG, leerá

tra con una estación remota y determinamos los

datos de la estación remota. En nuestro caso, el estado

tiempos involucrados para el envío de los mensajes.

de las salidas de la estación remota. Los parámetros de

Esta será nuestra condición de referencia.

configuración para el canal 0 de la estación maestra se muestran en la Tabla 1 y sus parámetros de control en la

• Segundo: reemplazamos el enlace óhmico por uno

Tabla 2. El canal 1 se configura de acuerdo a la Tabla 3, será

con radio modems y medimos los tiempos, lo cual

a través de este canal que descargaremos el programa.

debe llevarnos a establecer el tiempo de barrido para

De manera similar se descarga el programa para la esta-

un sistema de recolección de datos remotos.

ción remota, a través de su puerto 1. Hasta aquí hemos configurado nuestra red de adquisición de datos con el

Condición de referencia

protocolo punto multipunto, DF1 Half Duplex.

Considerando toda la configuración realizada hasta este Parámetros de configuración

momento, la Figura 2 muestra las señales transmitidas (parte superior) y recibidas (parte inferior) por nuestra estación maestra. Como es nuestra condición de referencia, el enlace entre la estación maestra y una estación remota es óhmico. La Figura 3 muestra la estadística correspondiente.

La numeración en la Figura 2 tiene el siguiente significado:

Tabla 1. Configuración del canal 0.

1. La estación maestra realiza el pedido de lectura de datos.

2. La estación remota reconoce el pedido.

3. La estación maestra solicita el envío de los datos.

90

4. La estación remota envía los datos.

Tabla 2. Control para estación maestra.

5. La estación maestra reconoce haber recibido los datos.

6. Tiempo que espera la estación maestra para volver a leer nuevos datos.

Medición de tiempos Antes de realizar la segunda parte de nuestro esquemas Tabla 3. Configuración de canal 1.

de pruebas necesitamos, primero, configurar los radio modems. Utilizando el Hyper Terminal configuramos el puerto serial de una computadora con los valores indicados en la Tabla 1 de la guía de usuario del radio MODEM [2]. La Tabla 4 muestra los parámetros de configuración de los radio modems.

Tabla 4. Configuración de radio modems.

Método para la determinación del tiempo de barrido

Con la ayuda del Hyper Terminal enviamos el carácter “h” al puerto serial de la computadora. Se mantuvo presionada la tecla “h” de modo tal que los caracteres se enviaban de manera continua. Cada línea de la Figura 4 representa el envío de un carácter.

Para la consecución de nuestro segundo objetivo elaboramos el siguiente esquema de pruebas:

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Robalino R. – Determinación del tiempo de barrido para recolección remota de datos en una configuración punto-multipunto

Figura 2. Enlace óhmico.

Acto seguido se conectó al puerto serial de la computa-

muestra el envío de los caracteres y la señal inferior mues-

dora, el radio MODEM configurado para conectarse con

tra la recepción de los mismos.

la estación maestra. A prudente distancia se colocó el radio MODEM configurado para conectarse con la estación

La Figura 5 muestra algo interesante, el radio MODEM en-

remota, a este último radio MODEM se le hizo un puente

capsula la información que recibe antes de retrasmitirla.

entre sus pines de transmisión y recepción. De este modo

En este caso, envía los caracteres en grupos de siete. En

calculamos el tiempo de retardo introducido por los dos

la Figura 6 se ha sincronizado el canal B del osciloscopio

radio modems. La Figura 5 muestra el retardo introduci-

con la señal recibida para poner en evidencia el encap-

do por el enlace de los radio modems. La señal superior

sulamiento.

91

Figura 3. Estadística para la condición de referencia.

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Robalino R. – Determinación del tiempo de barrido para recolección remota de datos en una configuración punto-multipunto

Figura 4. Envío de los caracteres “h”.

92

Figura 5. Envío y recepción de los caracteres “h”.

Hasta aquí hemos obtenido datos de nuestra condición

El significado de la numeración es el mismo que el de la

de referencia. En seguida procedemos a reemplazar el en-

Figura 2. El tiempo entre las señales 2 y 3 es el tercer pa-

lace óhmico por un enlace con radio modems para ana-

rámetro de la Tabla 2. El tiempo entre la finalización de un

lizar su funcionamiento. La Figura 7 muestra en la parte

mensaje y el envío de otro se muestra en la Figura 7 con

superior, las señales transmitidas por la estación maestra

el número 6. Este tiempo se determina por software. En el

y en la parte inferior, las señales recibidas por la misma

programa se incluye un temporizador cuyo Preset es pre-

estación maestra.

cisamente este tiempo. La Figura 8 muestra precisamente este retardo para un Preset de 60 ms.

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Robalino R. – Determinación del tiempo de barrido para recolección remota de datos en una configuración punto-multipunto

RESULTADOS El protocolo DF1 está basado en la especificación ANSIx3.28 y puede ser configurado para una operación full duplex o half duplex. El protocolo DF1 Half Duplex se utiliza en sistemas SCADA para comunicaciones maestro/esclavos. Esto permite comunicación bidireccional en una dirección a la vez. El usuario deberá ingresar los diferentes parámetros que controlan este protocolo de acuerdo con las necesidades propias de su aplicación. Parámetros tales como: Figura 6. Agrupación de caracteres por el radio MODEM.

• Control line • ACK Timeout • Error Deteccion • Polling Mode • Duplicate Packet detect • Messages Retries • Reply Msg. Timeout • Pre Transmit Delay • Polling Timeout • EOT Suppresion En muchos casos los valores que por defecto se asignan a estos parámetros son suficientes para configurar un sis-

Figura 7. Mensajería con enlace de radio modems.

tema o es un buen punto de partida para la búsqueda de los valores óptimos. El presente trabajo se centró en una recolección de datos remotos basado en mensajes, pero

93

existe otra forma llamada recolección estándar [3].

La transferencia de datos basada en mensajes permite decidir por programa, el instante de inicio de la transferencia de datos. Para la parte del programa que tiene que ver con las instrucciones MSG, servirán de mucho los ejemplos mostrados en la Guía de Aplicación de Sistemas SCADA de Allen-Bradley [4]. En las Figuras 7 y 8 se comprueba que la actividad de la estación remota se limita a responder los requerimientos de la estación maestra, lo Figura 8. Programa con Preset de 60 ms.

Finalmente, la Figura 9 muestra la condición de pérdida de enlace, la parte superior corresponde a la señal transmitida por la estación maestra y la parte inferior a la señal recibida. Observe que el tiempo entre las señales es precisamente el parámetro ACK Timeout, este valor se escogió para efectos de prueba. El valor adecuado se determinará más adelante. La estadística correspondiente a esta condición se muestra en la Figura 10.

que le permite a esta maestra comunicarse selectivamente con alguna estación remota específica.

De otro lado, el método propuesto para medir los tiempos involucrados en un intercambio de datos remotos, nos llevó a experimentar con el puerto serial de la PC. La Figura 4 muestra que los caracteres se envían con intervalos de 38,17 ms. Cabe mencionar que el puerto de la PC también se configuró para una velocidad de 19200 baudios. El envío por ráfagas de datos a cargo del radio MODEM hace posible la siguiente situación: si el tiempo transcurrido entre las señales 1 y 2 de la Figura 7 excede

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Robalino R. – Determinación del tiempo de barrido para recolección remota de datos en una configuración punto-multipunto

Figura 9. Mensajería con pérdida del enlace con radio modems.

Figura 10. Estadística para la condición de pérdida de enlace.

el tiempo establecido en el parámetro ACK Timeout de la estación maestra, ocurrirá una pérdida del enlace. Este parámetro unido al de Message Retry incrementará el tiempo de barrido del sistema.

En la Guía de Aplicación de Sistemas SCADA de Allen Bradley [5] se plantea un método para determinar un solo tiempo, el Minimum Master ACK Timeout; los resultados se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5. Minimum Máster ACK Timeout.

Tabla 6. Tiempo de barrido para un remoto.

* La Figura 7 muestra el tiempo transcurrido entre mensajes, en este caso es de 534,2 ms Para obtener el tiempo de barrido del sistema se tiene que multiplicar por el número total de estaciones remotas. La importancia de escoger el radio MODEM adecuado

94

se nota en el siguiente cálculo. De nuestra condición de referencia (Figura 2); el tiempo transcurrido entre mensajes consecutivos es de 44,24 ms. Comparándolo con los 534,2 ms obtenidos en el enlace con radio modems (Figura 7), se obtiene un retardo de 489,96 ms. El método permite escoger el tiempo más adecuado de acuerdo con * Se escoge el mayor de los dos.

Con los datos de la Figura 7 obtenemos el tiempo entre las señales 1 y 2 que es de 228,9 ms y basados en esto escogemos el valor de 240 ms para nuestro ACK Timeout por lo que tendríamos que modificar el primer parámetro de la Tabla 2. Calculemos ahora el tiempo de barrido para una estación remota, como se muestra en la Tabla 6. Se utilizó el criterio de diseño para el peor caso, con las siguientes suposiciones: 1. La estación remota es la que tiene la mayor cantidad

cada aplicación en particular.

CONCLUSIONES • Se configuró una red de adquisición de datos remotos con los parámetros adecuados para su buen funcionamiento. El enlace radioeléctrico se realizó a través de radio modems.

• El método propuesto para la medición de tiempos supone el conocimiento del protocolo empleado para poder identificar las señales en un osciloscopio.

de entradas y/o salidas.

2. El programa de la estación maestra tiene tres mensajes de lectura como máximo.

• La recolección de los datos de las estaciones remotas se realiza de un modo determinístico definido por el usuario.

3. El enlace de radio modems no usa repetidores.

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Robalino R. – Determinación del tiempo de barrido para recolección remota de datos en una configuración punto-multipunto

REFERENCIAS [1] Bailey, D (2006). Practical SCADA for Industry. PLCs used as RTUs. Great Britain: Elsevier [2] Data-Linc Group. User Guide. PLR5000. P/N 161-09888-001.

Page 5.

[3] Allen-Bradley. SCADA System. Application Guide. Publication AG-6.5.8 – October 1998. Chapter 1.

[4] Allen-Bradley. SCADA System. Application Guide. Publication AG-6.5.8 – October 1998. E4-E5.

[5] Allen-Bradley. SCADA System. Application Guide. Publication AG-6.5.8 – October 1998. Page 4-10.

ACERCA DEL AUTOR Ramón Robalino Gómez es ingeniero electrónico. Posee un Posgrado en Ingeniería de Telecomunicaciones. Participó en proyectos de diseño de equipos para telefonía y también en cursos de Electrónica Aplicada en Belo Horizonte, Brasil. Tiene 16 años de experiencia como profesor en cursos de Telecomunicaciones y Electrónica en Tecsup.

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Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador (PIC) y asistida por PC Monitored of temperature of exhaust gases of the engine of internal combustion using microcontroller (PIC) and attended by PC José Reyes, Ronmel Valcárcel

Resumen Se construyó un modulo de pruebas para el monitoreo de

This module will provide several qualitative advantages to

temperatura de los gases de escape del motor de com-

technicians and quantitative advantages in task mainte-

bustión interna. El objetivo de la construcción de este

nance and repairs that are performed regularly to internal

módulo es poder monitorear la temperatura de los gases

combustion engines, benefiting in cost savings and time

de escape del motor de combustión interna, para así po-

of maintenance and repair.

der procesar estos datos y utilizarlos en el diagnóstico del funcionamiento del motor. El comportamiento de la tem-

Palabras claves

peratura de los gases que salen de cada cilindro, podrá

96

precisar la ubicación de alguna anomalía en el motor. Las

Monitoreo, temperatura, gases de escape, motor de com-

anomalías serán relacionadas con la temperatura de los

bustión interna, mantenimiento.

gases de escape y así se determinará la posible falla en los componentes del motor.

Key words

Este módulo permitirá aportar ventajas cualitativas a los

Monitored, temperature, exhaust gas, internal combus-

técnicos de motores y ventajas cuantitativas en las tareas

tion engine, maintenance.

de mantenimiento y reparación que se realizan periódicamente a los motores de combustión interna, benefi-

INTRODUCCIÓN

ciando principalmente en el ahorro de costos y tiempo de mantenimiento y reparación.

Abstract

El empleo de una herramienta adecuada para el monitoreo de temperatura de gases de escape del motor de combustión interna nos permitirá localizar el cilindro que tiene alguna anomalía y con la adecuada experiencia diagnosticar

It was built a test module for monitoring temperature of

una posible falla de las partes del motor de combustión

the exhaust gases of the internal combustion engine. The

interna. Este módulo ha sido elaborado para monitorear

purpose of the construction of this module to monitor

durante todo el régimen de funcionamiento el motor. El

individual temperature of exhaust gases of internal com-

módulo de monitoreo envía mensajes y advierte cuando

bustion engine to process data and use in the diagnosis

un parámetro está fuera del promedio de temperatura de

of functioning of the engine. The behavior of each cylin-

gases de escape, promedio tomado en diversas condicio-

der may specify the location in the engine of any anomaly

nes de operación del motor. Aplicando este método a las

in terms of the temperature of exhaust gases and thereby

tareas de mantenimiento lograremos minimizar los costos

determine the possible fault in the engine components.

y tiempos de reparación y calibración.

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Reyes J. , Valcárcel R. – Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador(PIC) y asistida por PC

La realización de este módulo surge por la necesidad de

PROCEDIMIENTO

tener una herramienta práctica para el diagnóstico del funcionamiento del motor en todo momento; es decir, du-

En la Figura 1 se muestra una descripción del módulo de

rante su operación y durante pruebas de mantenimiento.

adquisición, el cual consta de cuatro etapas: la etapa de

Para tal propósito se desarrolló un circuito electrónico de

sensado, etapa de amplificación, etapa de comparación y

adquisición de señales, procesamiento de señales, trans-

etapa de indicación.

misión y visualización de datos en interfaces gráficas.

El desarrollo requiere sensores de temperatura que midan continuamente la temperatura individual de gases de escape en cada cilindro del motor de combustión interna comparando con motores con control electrónico,

Figura 1. Esquema del método del módulo de adquisición (fuente

que tienen opciones de diagnóstico y autodiagnóstico,

propia).

que solamente lo usan para ubicar fallas de inyectores durante pruebas de mantenimiento, pero no durante su

La metodología para la toma de datos se divide en 4

operación.

etapas:

El sustento de este proyecto radica en que es una herra-

1. Etapa de sensado. En esta etapa se realiza la me-

mienta útil para el diagnóstico de motores, el cual permi-

dición de las magnitudes eléctricas, para nuestro

tirá ubicar puntualmente anomalías, obteniendo un aho-

caso una termocupla. Se llama sensor al instrumento

rro en tiempo para la evaluación del motor. Aplicándolo

que produce una señal, usualmente eléctrica, el cual

a grandes industrias se minimizaran costos de manteni-

refleja el valor de una propiedad, mediante alguna

miento.

correlación definida o ganancia. Estos sensores están en número igual a la cantidad de cilindros que con-

Esta herramienta, aplicada en todo tipo de motores de

forman el motor y se ubican a la salida del conducto

combustión interna como son: gasolineros, diesel, gas y

de los gases de escape del motor.

97

también a motores con diferentes números de cilindros 4, 6, 8, 16, etcétera.

Para la selección de la termocupla se usaron termocuplas tipo K [2], disponibles en el mercado local.

Las fallas más comunes que se presentan en los motores

Estas termocuplas fueron sometidas a pruebas para

de combustión interna son: recalentamiento, pérdida de

determinar los valores de fuerza electromotriz y esta-

potencia, consumo excesivo de combustible y presencia

blecer su rango de medición.

de humos anormales. Todas estas fallas están relacionadas con los sistemas de alimentación de combustible, alimentación de aire y de refrigeración.

Se realizó la medición del voltaje en la termocupla y se registraron los voltajes cuando se elevó la temperatura [3]. Este es el procedimiento normal que se

Tanto los motores diesel, gasolineros y gas, tienen similar

realiza para la calibración de los termopares.

estructura mecánica, similar sistema de refrigeración, similar sistema de alimentación de aire, diferente sistema combustible para su funcionamiento, pero todos tienen como resultado final los gases de escape de los cuales analizaremos sus temperaturas.

Para implementar este módulo de monitoreo se diseñó un circuito electrónico capaz de procesar las señales de los sensores de temperatura. Para realizar las pruebas se empleó el motor diesel marca Volvo Modelo TD70H [1].

Figura 2. Resultados de las pruebas del sensor sometido a temperatura.

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Reyes J. , Valcárcel R. – Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador(PIC) y asistida por PC

En la Figura 2 observamos los valores obtenidos durante las pruebas de los sensores y vemos que la variación del voltaje del sensor es proporcional a la variación de la temperatura, por lo tanto es una función lineal. La prueba se inició a temperatura ambiente, teniendo una medición de 0.0 milivoltios, después se aumentó la temperatura hasta los 350ºC y se obtuvo una medición de 11.1 milivoltios.

2. Etapa de Amplificación. En esta etapa se realiza la amplificación de la señal de la termocupla, la cual convierte esta medición a una señal eléctrica ideal para que puedan alimentar a un instrumento de procesamiento, de lectura, registro o controlador de las magnitudes medidas.

Figura 4. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador

98

(fuente propia).

Figura 3. Amplificador de instrumentación [4]

En la Figura 3 observamos la configuración típica de un

sigue el programa del microcontrolador, el cual ha

amplificador de instrumentación, el cual empleamos

sido elaborado para el proceso de monitoreo, que

para mejorar el procesamiento y calidad de señal.

Los sensores y transductores pueden funcionar en ubicaciones alejadas del observador, así como en entornos inadecuados o impracticables para los seres humanos. En esta etapa usamos dispositivos electrónicos discretos, el amplificador es un dispositivo lineal de propósito general, el cual tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante; tiene además límites de señal que van desde el orden de los nano voltios (nV), hasta voltios (V) definidos por el fabricante [5].

3. Etapa de Comparación. Esta etapa toma las señales de los amplificadores, las cuales son digitalizadas en el microcontrolador y mediante su programa realizamos las funciones adecuadas para que efectúe la operación de monitoreo, transmisión de datos hacia la pantalla de visualización y también para la transmisión de datos hacia la computadora.

En la Figura 4 observamos el diagrama de flujo que

fue programado y grabado en el microcontrolador.

El uso del microcontrolador PIC, lo empleamos por ser un dispositivo programable, capaz de realizar diferentes funciones que requieran el procesamiento de datos digitales, control y comunicación digital de diferentes dispositivos.

4. Etapa de Indicación. En esta etapa se muestra la adquisición de datos, mediante una pantalla y se visualizan los datos transmitidos por el microcontrolador.

Mediante la transmisión de datos hacia la computadora, se tienen los datos almacenados en un archivo, también se visualizan los datos en un programa gráfico.

En la computadora el manejo de datos se puede hacer de diferentes maneras, así por ejemplo: mostrar las variables medidas en forma de texto, para luego poder ser procesadas en programas estadísticos o programas de cálculo. También grafico en tiempo real donde se muestra

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Reyes J. , Valcárcel R. – Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador(PIC) y asistida por PC

el comportamiento de los datos transmitidos, mediante

analógica AN0 al AN7, el puerto B lo configuramos para

cada variable en función del tiempo. Se usó un software

señales de entrada y de salida, en el Puerto C usamos los

de National Instruments.

Pines Tx y Rx para la transmisión y recepción de datos de la PC y el Puerto D lo empleamos para enviar mensajes a la pantalla de visualización.

El circuito de conexión con la pantalla de visualización: permite la alimentación, contraste y la transmisión de datos hacia la pantalla o display.

Figura 5. Visualización esquemática del módulo de monitoreo (fuente propia).

El circuito de transmisión de datos a la PC permite comunicar al microcontrolador con la PC. En esta etapa usamos

En la Figura 5 observamos el esquema del sistema de mo-

el Integrado Max232, el cual transforma los valores TTL

nitoreo, es decir, el proceso empleado para su funciona-

del PIC a niveles CMOS requeridos por la PC.

miento, para lo cual se consideraron diferentes aspectos como: • Tipo de diagnóstico que obliga a ejecutar ciertos maquinados en el múltiple de escape.

• Las temperaturas teóricas de los motores para la selección del sensor.

• La ganancia adecuada para la etapa de amplificación.

• El tiempo de muestreo.

Figura 6. Diagrama del interfaz (fuente propia).

• Las ventajas y desventajas que tiene la aplicación del microcontrolador.

• Los medios de visualización.

Respecto a los materiales utilizados, este módulo consta de circuitos, los cuales cuentan con componentes que se encuentran en el mercado local y son los siguientes: Fuente de alimentación: La fuente de alimentación fue diseñada con reguladores convencionales fijos de 5, 9 y -9 voltios.

El circuito de funcionamiento del microcontrolador consta de los siguientes componentes:

En la Figura 6 observamos el interfaz del módulo de monitoreo, cuyas etapas son importantes para el funciona-

99

miento del sistema de monitoreo de temperatura de gases de escape.

RESULTADOS La implementación del sistema de monitoreo se verificó con el funcionamiento de nuestro equipo, la variación de los parámetros sensados se relacionan con el funcionamiento del motor. Comparando lo datos medidos, nos da una idea de lo que puede estar sucediendo en cada una de los cilindros que conforman el motor, pues se comprobó que la variación de los datos procesados se da en

• Un oscilador de 20 MHz.

función de la temperatura.

• Un pulsador para el Reset.

Se observaron los valores medidos de cada cilindro y mediante el programa de monitoreo se visualizan individual-

• Un PIC 16F877A. • Leds de Indicación.

• Switchs para encendido e inicio del programa.

Empleamos el Puerto A y Puerto E, dependiendo del número de cilindros a usar, usamos los canales de entrada

mente los valores medidos de cada cilindro. Durante el funcionamiento del motor cuando un valor medido está fuera del promedio de medición, el programa automáticamente nos envía un mensaje indicándonos el número del cilindro y sonidos de advertencia, la cual se obtuvo cuando se hizo la prueba de simulación de corte de inyección en el cilindro 4.

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Reyes J. , Valcárcel R. – Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador(PIC) y asistida por PC

motor; al momento de instalar el sistema de monitoreo no se conocía el estado real del motor, ya que era un motor con tiempo de funcionamiento y, por lo tanto, presenta desgaste en sus componentes. Las condiciones ideales para establecer el monitoreo es cuando el motor es nuevo, tiene pocas horas de funcionamiento o está recién reparado.

• Observando la Figura 8 podemos observar el comportamiento que tienen los cilindros en situaciones de aceleración y operación del motor, podemos Figura 7. Datos almacenados como texto.

mencionar las siguientes teorías: - El cilindro 4, que es la línea de color celeste, en un

En la Figura 7 observamos los datos procesados en una

inicio está por debajo de las demás curvas 68ºC.

hoja de cálculo, los cuales fueron almacenados anterior-

Cuando se le acelera primer pico y cuando se le

mente en un archivo de texto y se pueden procesar con

simula carga segundo pico mayor a 155ºC, este

diferentes programas estadísticos y gráficos. Después del

tiende a superar a las demás curvas, mediante el

procesamiento adecuado observamos la variación de la

análisis podríamos decir que el comportamiento

temperatura conforme al arranque del motor luego del

se debe a una descalibración interna del inyector.

tiempo de calentamiento requerido para la operatividad del motor, se hicieron aceleraciones para aumentar las

- En el tiempo de 05:35:40 PM cuando simulamos

RPM del motor y se observó la variación de la temperatura

la carga en el motor podemos observar que rápi-

en función de los RPM.

damente se incrementa la temperatura y cuando dejamos de hacer la simulación de carga observamos que las curvas decrecen a diferentes temperaturas 05:36:40 PM, mediante el análisis podríamos

100

decir que esta teoría se debe a la descalibración de los inyectores, es decir algunos inyectores no están atomizando correctamente el combustible y por tal efecto se observan variaciones en la temperatura, asimismo influye la regulación de la luz de válvulas en la temperatura de evacuación de los gases de escape de la cámara de combustión.

Figura 8. Visualización gráfica.

En la Figura 8 observamos los datos en un entorno gráfico, se visualizaron los datos transmitidos por el módulo de monitoreo, se obtuvo una gráfica en tiempo real, se hicieron aceleraciones para aumentar las RPM del motor y se observó la variación de la temperatura en función de las RPM del motor; en los valores altos del gráfico mayor a 130ºC se realizaron las pruebas de calado, el cual nos permitió simular carga en el motor.

Sobre los resultados obtenidos observamos que: • En una aplicación real del monitoreo lo ideal es tener valores similares. En la Figura 8 la diferencia de temperatura entre los cilindros en el mismo instante, se debe al estado de los diferentes componentes del

- El cilindro 6, de color morado, en un inicio está entre las curvas de los otros cilindros. Cuando se acelera (primer pico) y cuando se simula carga (segundo pico mayor), su tendencia es a decrecer mas rápido que las demás curvas. Mediante el análisis podríamos decir que la teoría de este comportamiento se debe a una mayor luz en la regulación de la válvula de escape, por lo tanto se refrigera más rápidamente, por lo tanto en el motor se tendría pérdida de potencia.

- En la Figura 10 observamos la falla que fue simulada en uno de los cilindros. Se realizó el corte de inyección en el cilindro 4, al inicio de la simulación de la falla 05:28:20PM se puede observar la caída de temperatura para este cilindro, se aceleró el motor para ver el comportamiento de la curva del

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Reyes J. , Valcárcel R. – Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador(PIC) y asistida por PC

operación). La combustión en los diferentes tipos de motores y su estructura mecánica tienen como resultado final los gases de escape. Analizando la temperatura se podría determinar lo que está ocurriendo en el funcionamiento del motor, por lo tanto es una herramienta que permite evaluar el motor.

Figura 9. Corte de inyección de cilindro 4 (fuente propia).

cilindro con corte de inyección y se observa que la temperatura sigue por debajo de las demás temperaturas de los cilindros.

• Esta herramienta de diagnóstico permite evaluar rápidamente el estado de funcionamiento del motor.

Por medio de la temperatura de los gases de escape se localiza al cilindro con falla, por lo tanto se minimizan considerablemente los tiempos de evaluación del motor.

• Este módulo puede ser aplicado a los motores convencionales que no tienen ningún control electrónico, por lo tanto optimizará las labores del personal de mantenimiento mecánico.

• El programa de monitoreo alerta al usuario sobre el mal funcionamiento del motor y dependiendo del componente, se podrán minimizar las fallas potencialmente perjudiciales. Por ejemplo, cuando de manera intempestiva se quiebra la cabeza de válvula y daña la cámara de combustión.

Figura 10. Corte de inyección de cilindro 6 (fuente propia).

- En la Figura 10 observamos falla que fue simulada en otro cilindro. Se realizó el corte de inyección en el cilindro 6, al inicio de la prueba, se puede observar la caída de temperatura para este cilindro en el tiempo de 05:40:00, se acelera el motor y continúa por debajo de las demás curvas, hasta el tiempo de 05:41:20 donde se reestablece la inyección y se observa la recuperación de la temperatura de funcionamiento.

- Después de revisar y comparar el comportamiento de las curvas podemos relacionarlas a los componentes que conforman el motor. Realizando más pruebas y verificando el estado físico de los componentes y sus regulaciones o tolerancias, podremos determinar que son principalmente problemas del inyector, compresión de cilindros (anillos) y calibracion de válvulas.

CONCLUSIONES • El módulo de monitoreo de temperatura de gases de escape es una herramienta para el diagnóstico del funcionamiento del motor (en tiempo real y bajo

• Usando el concepto de que los componentes no tienen el mismo tipo de desgaste es mejor analizar solamente la zona que presenta la anomalía. Se efectuarán pruebas de cada uno de los componentes de la zona afectada y dependiendo del caso se harán las calibraciones necesarias o cambio del componente, beneficiando el ahorro de costos y tiempos de reparación o calibración.

101

• Relacionando la temperatura de gases de escape con el componente podemos decir: - Baja temperatura se relaciona con el sistema de inyección, sistema de alimentación de aire y compresión.

- Alta temperatura se debe a la regulación de luz de válvulas, sistema de inyección o el sistema de refrigeración.

• Manteniendo las curvas similares entre sí y realizando las acciones correctivas, durante la operación de la maquina, lograremos mantener las potencias nominales de funcionamiento del motor y aplicando estadísticas se podría programar tareas de mantenimiento predictivo.

REFERENCIAS [1] Manual de servicio del motor Volvo TD70H-1990 [2] Tablas de calibración de termopar tipo K.

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Reyes J. , Valcárcel R. – Monitoreo de temperatura de los gases de escape del motor de combustión interna utilizando microcontrolador(PIC) y asistida por PC

[3] Bacacorzo, Roberto (2003)

Curso Instrumentación Industrial Tecsup.

[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_de_instrumentación [5] Datasheet LM741 y TL081.

[6] Cesar Medina Tong (2006). Tesis de Grado Universidad Nacional de Ingeniería. Digitalización de un variador de velocidad DC Analógico con control PID. Lima-Perú [7] Robalino, Ramón (2004)

Curso de Microcontroladores Tecsup.

[8] Microchip

http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices. aspx?dDocName=en010242 [9] Maxim

http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1798

[10] Mplab

http://www.microchip.com/stellent/ idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocNa me=en019469&part=SW007002

A CERCA DE LOS AUTORES José Reyes Miranda es profesional en electrónica y automatización industrial y en mantenimiento de maquinaria pesada. Posee experiencia en mantenimiento y configuración de sistemas de control electrónico de equipo pesado en empresas como: Ferreyros, M&R y Southern Perú. Ha patentado circuitos electrónicos de aplicación a equipo pesado a nivel nacional.

Ronmel Valcárcel Bornas es experto en electricidad y electrónica de vehículos por la GTZ e IFB en Alemania. Posee experiencia en el mantenimiento y reparación de vehículos en empresas como: Volvo, Mercedes Benz y Daewoo. Ha participado como ponente en seminarios técnicos, a nivel nacional, sobre electrónica en motores de combustión interna.

[11] Lab View

http://www.ni.com/labview

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Implementación de controladores en matlab y plc con comunicación opc aplicado a plantas industriales Controllers implementation in matlab and plc with opc communication applied to industrial plants Manuel Manyari

Resumen

response in systems with high dead time, for this, internal model controls as Smith Predictor solve this problem with

Diversas técnicas se han desarrollado a lo largo de la his-

some additional computational cost. This paper describes

toria de control de procesos, sin embargo, muy pocas han

the analysis, design and implementation of a Smith pre-

sido implementadas en aplicaciones reales, debido al alto

dictor controller in Simulink – MATLAB® applied to a typi-

costo computacional que tales estrategias de control re-

cal industrial process. A case study is presented, in which

quieren. Una herramienta ampliamente usada para el in-

the controller communicates with PLC CompactLogix via

tercambio de datos en entorno Windows es la comunica-

OPC, for controlling in real time an experimental level

ción OPC, que ha sido adoptada por diversos fabricantes

control plant with high dead time. Finally, the implemen-

ante la necesidad del intercambio de variables de control

tation in Simulink that do not cause overload in the PLC

y estados de procesos industriales. De otro lado, es bien

processing is widely studied in this work.

conocido que los controladores clásicos (PID) no muestran una adecuada respuesta transitoria en plantas con

Palabras claves

103

elevado tiempo muerto; para esto, existen técnicas basadas en Modelos de Control Interno (IMC) como el Pre-

Tiempo muerto, predictor de Smith, OPC, control de pro-

dictor de Smith, el cual soluciona este problema con una

cesos.

demanda computacional adicional. El presente trabajo analiza, sintetiza e implementa en Simulink - MATLAB®,

Key words

un controlador tipo Predictor de Smith, aplicado a un proceso industrial típico. En el caso de estudio, se presenta un controlador tipo Predictor de Smith que se comunica vía OPC con un PLC CompactLogix para controlar en tiempo

Dead time, Smith predictor, OPC, process control.

INTRODUCCIÓN

real una planta experimental de nivel, presentando un elevado tiempo muerto. Finalmente, la implementación

A lo largo de la historia del control se han desarrollado

en Simulink no sobrecarga el procesamiento de datos en

muchas estrategias avanzadas con la finalidad de cumplir

el PLC y sin incrementar el time-scan, siendo esto materia

especificaciones de comportamiento puntuales, de estas,

de estudio del presente trabajo.

muy pocas han sido implementadas en aplicaciones reales, debido al alto costo computacional que las técnicas y

Abstract

algoritmos de control requieren, entre ellas controladores lineales basados en modelos, controladores predictivos y

In the last years, diverse techniques have been deve-

controladores no lineales.

loped in processes control, but some of this, have been implemented in real applications, associated to the high

El común denominador en cada algoritmo de control ci-

computational cost. OPC is a tool widely used for the data

tado es la capacidad de iteración que debería contener

interchange. OPC has been adopted by several producers

el controlador digital, la capacidad de memoria y la velo-

for data interchange of industrial processes. Furthermore,

cidad de procesamiento. En la actualidad en la industria

the PID controllers do not develop a adequate transitory

se tiene una gran capacidad instalada de controladores

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12/1/08 10:52:15 PM

Manyari, M. – Implementación de controladores en matlab y plc con comunicación opc aplicado a plantas industriales

lógicos programables (PLCs) de diferentes fabricantes, en

pusieron una técnica que es ampliamente usada en pro-

los cuales se implementan las rutinas de control de pro-

blemas prácticos de sintonización de controladores, ya

cesos. Siendo las instrucciones PID, las más usadas para

sea en el mundo industrial como en las aplicaciones de

aplicaciones de regulación y control, normadas en IEC

investigación. Esta técnica se basa en la observación de

61131-3. Instrucciones de mayor complejidad son escasa-

ciertos parámetros dinámicos de la planta para calcular

mente implementadas en PLCs de gama media y alta, por

coeficientes de los controladores P, PI y PID, de acuerdo

las razones indicadas en el párrafo anterior. Por tal moti-

con reglas de sintonización pre-establecidas (Ziegler y Ni-

vo, el PLC se encuentra limitado a brindar alternativas de

chols, 1942). De otro lado, es sabido que los controladores

control con cierta capacidad de cálculo, ubicando a estos

clásicos (PID) no muestran una adecuada respuesta tran-

dispositivos electrónicos de control en cierta desventaja

sitoria en plantas con elevado tiempo muerto (constante

con respecto a los Sistemas de Control Distribuido (DCSs),

de tiempo, menor que el tiempo muerto); ante ello, técni-

los cuales implementan rutinas avanzadas para procesos

cas basadas en Modelos de Control Interno (IMC) como

basadas en modelos de control interno, control predicti-

el Predictor de Smith que solucionan este problema, han

vo, control multivariable, control neuronal, control difuso,

sido ampliamente estudiadas.

entre otros.

El presente trabajo analiza y muestra la implementación Ante lo expuesto, sería de interesante aplicación poder

en Simulink - MATLAB® de un controlador Predictor de

convertir un PLC en un potencial controlador, capaz de

Smith con dos grados de libertad, aplicado a un sistema

ejecutar estrategias de control avanzado, usando como

de control de nivel en un tanque, típico en plantas indus-

soporte una aplicación ubicada en una estación de pro-

triales. El controlador de alta demanda computacional

gramación o estación de operador. Tal aplicación debe

(Predictor de Smith) se comunica, vía servidor OPC con

tener una metodología de acceso de lectura/escritura de

un PLC CompactLogix L32E - Allen Bradley, para controlar

datos hacia cualquier PLC, una alta capacidad de procesa-

en tiempo real una planta modelo de nivel con elevado

miento de datos y una considerable capacidad de memo-

tiempo muerto. La implementación en Simulink tiene

ria, tema abordado para el estudio e implementación del

como objetivo no sobrecargar el procesamiento de datos

presente trabajo.

en el PLC y no elevar el time-scan, tema importante que también es analizado en el presente trabajo.

104 De otro lado, una herramienta bastante usada en intercambio de datos para entorno Windows, es la comunica-

Este artículo está organizado como sigue: La teoría de

ción OPC (Ole for Process Control), la cual implica conec-

controladores basados en modelos, como el predictor de

tividad abierta en automatización industrial y sistemas

Smith, son analizados en la sección Fundamentos. Una

empresariales que dan soporte a la industrial, que ha sido

descripción de la comunicación es analizada en la sección

adoptada por diversos fabricantes ante la necesidad del

Comunicación OPC. Las condiciones de implementación

intercambio de datos, variables de control y estados de

del algoritmo de control son presentadas en las secciones

procesos industriales. A través de OPC es posible realizar

de discusión y resultados y finalmente, algunas conclusio-

intercambio de datos entre distintas plataformas para di-

nes son dadas en la última sección.

versos fabricantes mediante una filosofía cliente - servidor. En síntesis, OPC permite realizar aplicaciones de base

FUNDAMENTOS

de datos, interconectividad abierta entre aplicaciones con entorno Windows y controladores industriales (PLCs,

En los procesos industriales reales, ocurren tiempos

DCSs, Drivers, entre otros) o implementar pasarelas de da-

muertos o retrasos entre la aplicación de estímulos a la

tos entre los controladores citados.

variable de control y la respuesta del sistema o variable de proceso, los cuales han sido denominados tiempos de

En el contexto del desarrollo de estrategias de control,

atraso o tiempos muertos. Este fenómeno, generalmen-

diversas técnicas para la sintonización y diseño de con-

te es ocasionado por atrasos en los actuadores, tiempos

troladores han sido estudiadas, en especial los controla-

muertos en los sensores instalados, la distancia de un sen-

dores PI y PID, debido a su gran utilización en la industria,

sor al proceso, retardos de comunicación, etcétera. La pre-

flexibilidad y desempeño de implementación presentado

sencia de atrasos restringe en gran parte el performance

por ellos. Como es bien conocido, diversas técnicas de sin-

del control dado que la ganancia a lazo abierto es limita-

tonización han sido propuestas (Ziegler y Nichols, 1942),

da por la estabilidad a lazo cerrado (Sung et. al. 2005). A

(Astrom, 1995). Los primeros (Ziegler y Nichols, 1942), pro-

fin de compensar el tiempo de retardo muchos métodos

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12/1/08 10:52:15 PM

Manyari, M. – Implementación de controladores en matlab y plc con comunicación opc aplicado a plantas industriales

de diseño han sido propuestos. En particular, el Predictor

ple las especificaciones de control, puede ser expresado

de Smith es un método simple y eficaz, luego que el con-

por la función de transferencia del PI:

trolador utiliza el modelo de la planta y contiene características del tiempo de atraso. En 1950, Smith concibió la

(3)

idea de construir el modelo de la planta con la finalidad de predecir su salida y luego dicho valor calculado es to-

El controlador especificado es aplicable a funciones de

mado como entrada hacia el controlador. El esquema de

transferencia de polos con parte real negativa. Aström

control del Predictor de Smith es mostrado en la Figura 1,

(1994) analizó la aplicación del predictor de Smith en

donde C(s) es el controlador, Gn(s) es el modelo de G(s) y

plantas con accion integral en su función de transferencia,

Tn es el modelo de T.

es decir plantas con polos en el origen, donde concluye que el predictor de Smith no es aplicable al tipo de plantas referido. Aström (1994) propuso una modificación del predictor de Smith a fin de mejorar la respuesta del sistema a lazo cerrado, tema que no es abordado en el presente trabajo, limitándonos a controlar plantas sin acción integral en su función de transferencia.

Comunicación OPC

Figura 1. Esquema de Control del Predictor de Smith

De la Figura 1, es fácil ver que:

El continuo avance y crecimiento de la industria implica el incremento en necesidades de comunicación e integración de sistemas de control. Numerosos fabricantes han lanzado al mercado elementos actuadores, sensores, controladores con diferentes plataformas y compatibilidades de comunicación. Las tecnologías de control han encontrado un problema al momento de integrar distintos elementos en una sola plataforma. Una alternativa para ello,

Asumiendo que G(s) es una función estable, y desarrollan-

es la disposición de drivers para distintas aplicaciones y

do la función de transferencia a lazo cerrado, se obtiene:

la convergencia hacia una plataforma principal para inte-

105

grar varias plataformas a diversos equipos de control. Otra alternativa de mayor flexibilidad es OPC (Ole for Process Control), aplicación software de entorno Microsoft Windows, que actúa como un bus de comunicación de datos (1)

bajo una arquitectura cliente - servidor. Llámese Servidor

Si G(s)=Gn(s) y T=TN, equivale a que el modelo nominal es

OPC, a la aplicación que exporta variables de elementos

igual al modelo de la planta, la función de transferencia a

físicos hacia una plataforma de intercambio de datos, y

lazo cerrado se simplifica en:

llámese cliente OPC a la aplicación que accede a los datos para procesarlos y supervisarlos, ver Figura 2.

(2)

Nótese que el denominador de la Función de transferencia a lazo cerrado no presenta el término e-Ts, el sistema realimentado puede ser regulado y estabilizado por C(s) independiente del tiempo de retraso inherente de la planta. Para el caso de C(s), es fácil ver que un controlador incluyendo una acción integral, puede alcanzar la especificación de regulación, eliminando errores en régimen estacionario y rechazar posibles perturbaciones al sistema de control. Es decir, un controlador C(s) simple que cum-

Figura 2. Intercambio de datos entre diversos elementos de control.

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Manyari, M. – Implementación de controladores en matlab y plc con comunicación opc aplicado a plantas industriales

Dentro de la arquitectura OPC, cada dato físico como la

De la misma forma es posible comunicar cualquier PLC

lectura de sensor de nivel o una dirección de memoria en

fabricado por Allen Bradley vía el Servidor OPC Remoto

un PLC, se convierten variables o Tags, y es el servidor OPC

RSLinx y exportar ítems.

el que permite el acceso a tales datos. Un cliente puede leer conjuntos de Tags, denominados Ítems, en forma sín-

PROCEDIMIENTO

crona o asíncrona. Los datos que cualquier cliente puede exportar son tipo Booleano, Entero, Flotante, Doble Flo-

El presente trabajo será tomado como caso de estudio

tante o array de datos. La filosofía de comunicación de

el módulo experimental de Control de Nivel de agua en

los PLCs Allen Bradley utiliza un software plataforma de

un tanque del Taller E5 del Departamento de Electrotec-

comunicación de alto nivel, denominado RSLinx, que per-

nia Industrial, Tecsup - Arequipa. La Figura 4, muestra el

mite la conectividad de forma transparente entre cada

diagrama P&ID del sistema en mención. Para el caso de

dispositivo compatible con Allen Bradley y su aplicación

estudio, se tiene como variable de proceso al nivel de

Rockwell Software. RSLinx, es un servidor OPC, que expor-

agua en el tanque, el cual es sensado y transmitido en

ta ítems de los controladores que se encuentran en línea

señal eléctrica por un transmisor de nivel. La variable

a través de tópicos OPC. Con todo ello, RSLinx se convierte

de control procedente del controlador actuará sobre la

en un software que permite la lectura/escritura de tags

apertura de una electroválvula proporcional que permite

desde/hacia PLCs compatibles.

la evacuación de agua en el tanque. El ingreso de agua al tanque es dado por acción de una bomba eléctrica cuyo

Otro software de simulación, cálculo para la teoría de

estado es permanentemente encendida. Además, nótese

control y gran importancia en los últimos años, ha sido

que se hallan ubicadas válvulas manuales de recircula-

MATLAB, junto con sus aplicaciones Simulink y Toolboxes

ción, permitiendo trabajar el módulo en diferentes pun-

específicos. MATLAB, a través del OPC Toolbox permite la

tos de operación.

configuración cliente OPC, dando la posibilidad de procesar datos que se encuentren dentro de un bus OPC. La Figura 3, muestra un ejemplo de comunicación entre un SLC 5/04 de Allen Bradley con MATLAB via OPC, la figura

106

muestra el ítem exportado (“N7:0”) por el Servidor OPC, ubicado en RSLinx, hacia el cliente OPC en MATLAB, usando el Toolbox correspondiente. La figura tambien muestra que es posible leer y escribir sobre el item “N7:0” ubicado en el Tópico “EJEMPLO”, desde la aplicación cliente OPC.

Figura 4. Diagrama P&ID del módulo experimental de nivel.

La variable de control proviene de un PLC CompactLogix L32E, así como también la señal eléctrica de nivel es enviada al PLC. El PLC es comunicado con Simulink –MATLAB via el servidor OPC de RSLinx, de esta manera, la variable de proceso y variable de control del módulo experimental son exportados a Simulink con privilegios de lectura y escritura en los respectivos ítems.

Mediante un método de identificación de sistemas mediante curva de reacción, se obtuvo el modelo nominal de Figura 3: Ejemplo de comunicación OPC entre un SLC 5/04 y MATLAB.

la planta, tomando como referencia un sistema de primer orden más atraso, siendo el modelo nominal:

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Manyari, M. – Implementación de controladores en matlab y plc con comunicación opc aplicado a plantas industriales

Como fue visto en la sección II, la función de transferencia a lazo cerrado es expresada según la ecuación (2), hacien(4)

do uso del diseño de PIDs por asignación de polos (Manyari, 2007) fueron hallados los siguientes valores para un

De (4), puede notarse que el tiempo muerto es superior

controlador PI:

a la constante tiempo, no siendo recomendable el uso (5)

de controladores PID bajo los métodos de sintonización mencionados en la Sección I. En vista de ello se sugiere la utilización de un controlador tipo Predictor de Smith, a fin de mejorar la respuesta transitoria del sistema.

RESULTADOS Tal como se describe en la sección anterior, como caso de estudio se plantea el problema de diseño de un controlador para el módulo experimental de nivel. Se implementó el algoritmo controlador tipo Predictor de Smith descrito en la Sección II, luego se estableció la comunicación con el PLC, usando RSLinx y RSLogix 5000 vía OPC. Se exportaron al Simulink algunas variables de interés como la lectura del sensor de nivel, la señal de comando hacia la electroválvula.

Se aplicaron distintas variaciones de set-point para el sistema, notándose en algunos casos oscilaciones y errores en régimen estacionario. Nótese que la eficiencia de la estrategia mencionada se basa en la exactitud del modelo nominal de la planta. A esta característica, considérese el modelo nominal como un grado de libertad adicional al controlador, dependiendo del modelo nominal, se obtuvo respuestas con mayor o menor oscilación, además del error en régimen estacionario. La Figura 6, muestra la respuesta del sistema ante variaciones de set-point tipo escalón, donde se percibe una rápida acción del controlador hacia la variable de proceso para alcanzar el valor de referencia.

Una vez puestos a disposición los datos necesarios, fue ejecutado el controlador propuesto, desde Simulink. En este procedimiento se encontraron puntos importantes

107

como el tipo de comunicación a usar entre PC y el PLC. Mediante una comunicación RS232 se puede lograr una velocidad de intercambio de datos hasta 19.2 Kbaudios, convirtiéndose en un cuello de botella para la aplicación deseada. Cabe señalar que el procesador CompactLogix L32E dispone de un puerto de comunicación Ethernet/IP, en tal sentido, fue registrada una comunicación más fluida a través de Ethernet, dando paso a una aplicación en tiempo real entre Simulink y RsLogix5000, ver Figura 5.

Figura 6: Respuesta temporal de nivel en el sistema de control experimental.

CONCLUSIONES En el presente trabajo fueron analizados aspectos aplicativos al problema de regulación y estabilización de sistemas de control con elevado tiempo de atraso. Se pudo observar que el algoritmo propuesto cumple claramente las especificaciones deseadas, además fueron superados los problemas de implementación asignados a la velocidad de comunicación en OPC y Direct Driver. Con la comunicación OPC es posible realizar software de simulación para controladores lógicos programables y entrenar estrategias de control del modelo de referencia en MATLAB. Para Fig. 5: Flujo de datos en el módulo experimental de nivel.

trabajos futuros se plantea analizar las influencias de los

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Manyari, M. – Implementación de controladores en matlab y plc con comunicación opc aplicado a plantas industriales

retardos ocasionados por la comunicación entre software de aplicación y el equipo industrial a través de diversas redes de comunicación industrial.

REFERENCIAS [1] Takatsu, H., Itoh, T., Araki, M. (1998) “Future needs for the control theory in industries –report and topics of the control technology survey in Japanese industry”. Journal of Process Control 8(5-6).

[2] Smith, O.J. (1957) “Closed control of loops with dead-time”.

Chemical Engineering Progress, 53:217,219.

[3] Sung A., Bong S., Dae Ch., Kook P., Su P., Chung L. y Young K. (2004 ) “Smith predictor control for water Pressure control system with tiem delay”, 30Th Annual Conference of the IEEE, Industrial Electronics Society, Korea.

[4] Smith, C., Corripio, A. (2000) “Control automático de procesos”, Teoría y Práctica. LIMUSA, México..

[5] Goodwin, G., Graebe, S., and Salgado, M., (2001) Control Systems Design, Prentice-Hall.

[6] Ziegler, J.G., Nichols, N.B. (1942), “Optimal settings for automatic controllers”, Trans. ASME, Vol. 64, pp. 759–768.

108

[7] Aström, K.J., Häglund T. (1995), PID Controllers: Theory, Design and Tuning, 2nd ed, ISA. [8] Aström, K.J., Hang C., Lim C. (1994) , “A New Smith Predictor for Controlling a Process with an Integrator and Long DeadTime”, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 30 Nro 2, pp. 343-345.

[9] Manyari, M. (2007), “Auto sintonización de controladores basado en modelo y localización de polos”, Investigación Aplicada e Innovación I+i, Tecsup, Vol 1 Nro 2, pp 138-142.

ACERCA DEL AUTOR Manuel Manyari Rivera es Ingeniero Electrónico. Master en Ingeniería Eléctrica - Mención en Control Automatización y Robótica. Posee amplios conocimientos y experiencia en Sistemas Automáticos de Control, programación de PLCs y DCSs, Robots Industriales, interfaces OPC e Instrumentación Industrial. Es autor de artículos para círculos académicos, congresos nacionales e internacionales especializados en el área de Control y Automatización de Procesos. Es profesor del área de Automatización y Control del Programa de Electrotecnia Industrial en Tecsup Arequipa.

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Plataforma de aprendizaje a distancia en automatización industrial empleando laboratorios remotos Distance learning environment in industrial automation using remotes laboratories Alfredo Saire, Henry Gómez

Resumen

Key words

La cantidad de cursos a distancia que se encuentran dis-

Remote laboratory, web lab, automation, e-learning.

ponibles en la actualidad en el área tecnológica es bastante limitada, debido fundamentalmente a que sería

INTRODUCCIÓN

indispensable realizar el entrenamiento práctico o ejercicios de laboratorio, empleando un equipo específico para

La educación superior en carreras de ingeniería aplicada,

completar cada una de las actividades requeridas por el

especialmente en aquellas relacionadas con automatiza-

contenido de un curso. Este es el caso, por ejemplo, de los

ción industrial, robótica e ingeniería de procesos requiere

cursos de automatización industrial, robótica y control de

de costoso equipamiento y modernas tecnologías que

procesos entre otros.

encarecen ostensiblemente el costo de la educación. No

El objetivo de este trabajo consiste en elaborar una plataforma de hardware y software que permita utilizar el equipamiento de los laboratorios de Tecsup en forma remota, accediendo a ellos a través de redes Intranet y/o Internet.

Abstract

todas las instituciones de educación superior están en condiciones de financiar el suficiente equipamiento para

109

garantizar una formación orientada a la práctica y además personalizada, por ello es frecuente en los laboratorios de experimentación tener a más de tres estudiantes interactuando con un módulo o equipo experimental.

Esa experiencia práctica es valiosa para el estudiante y

In technology area, the amount of distance courses are

marcará un hito en su proceso de aprendizaje. Sin em-

currently quite limited, mainly because in some cases

bargo, este tipo de enseñanza tradicional se ve afectado

would be essential to carry out the practical training or

por factores que degradan los resultados educativos, los

laboratory exercises using a specific equipment to com-

cuales ya fueron identificados por L.M. Jiménez y colabo-

plete each of the activities required by the content of a

radores [1] son:

course. This is the case, for example for courses about industrial automation, robotics and process control among

La limitada disponibilidad de los laboratorios. Los

others.

estudiantes sólo tienen acceso a estos en horarios poco flexibles y con limitado tiempo de uso. No todos los es-

The objective of this work is to develop a platform of

tudiantes tienen la misma curva de aprendizaje, algunos

hardware and software that enables use the equipment

requieren de más tiempo para afianzar los conocimientos

of the laboratories of Tecsup in remotely accessing them

con la experimentación. Por tanto, el estudiante no puede

through Intranets and / or the Internet.

practicar libremente y analizar los aspectos que considere necesarios o dar mayor énfasis a aspectos débiles de su

Palabras claves

aprendizaje.

Laboratorio remoto, laboratorio web, automatización,

Limitado número de equipos disponibles. El alto costo

educación a distancia.

de los equipos obliga a adquirir un número limitado de

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estos, el cual, no guarda relación necesariamente con el

FUNDAMENTOS

número de estudiantes matriculados en un laboratorio.

Esto obliga a compartir los equipos con tres o más com-

Las primeras experiencias de aprendizaje en laboratorios

pañeros.

remotos se desarrollaron originalmente en los Collaboratories a partir de los años noventa en Estados Unidos

La evaluación práctica del estudiante se ve distor-

y en Europa en el Proyecto Dynacore a partir de 1996 en

sionada. El profesor a cargo de un laboratorio tiene que

España [2] Actualmente se están desarrollando investi-

evaluar las competencias logradas en una técnica o en el

gaciones con diferentes nombres y enfoques en diversas

uso de un equipo en particular; sin embargo, no tiene el

latitudes.

tiempo suficiente para hacerlo en forma individual, por lo que se adoptan mecanismos como asignación de roles y

El AutoLab [1] por ejemplo es un sistema que realiza la

desarrollo de tareas que se consolidan en la presentación

monitorización y el control de un proceso discreto. Esta

y sustentación de informes grupales. La nota obtenida me-

controlado por un PLC a través de Internet y permite

diante esta modalidad, no refleja necesariamente el nivel

al usuario remoto conocer el estado de los sensores y

del logro de resultados de aprendizaje de cada estudiante.

mandar señales de control a los actuadores del proceso.

Mediante una interfaz gráfica accesible desde cualquier

Ante estos inconvenientes de la educación orientada a la

navegador web es posible visualizar las imágenes del

práctica tradicional, surge como una alternativa interesan-

proceso.

te el uso de los laboratorios remotos a través de Internet.

Esta modalidad, que en años recientes viene tomando fuerza por el avance de las Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones (TICs) y por el abaratamiento del equipamiento necesario, aporta los siguientes aspectos positivos: Mejora la disponibilidad de los equipos de laborato-

110

rio, pues proporcionan horarios fuera del tiempo de clase para experimentación no presencial.

Incrementa el número de tareas o prácticas de la-

Figura 1. Arquitectura general de un laboratorio remoto.

boratorio, ya que el estudiante tiene la posibilidad de hacer más ejercicios de los que tendría acceso en forma

Los laboratorios remotos residentes en diferentes cam-

presencial.

pus integrados por Internet son también una experiencia en proyectos de colaboración. Podemos mencionar, por

Brinda horarios de acceso más amplios y flexibles, por-

ejemplo, la plataforma Barcelona, Manaus y Santiago de

que si no hay limitaciones de tiempo, el estudiante puede

Cuba interconectadas por Internet [3]. El laboratorio re-

permanecer mayor tiempo interactuando con los labora-

moto de Barcelona consta de un conjunto de distintos

torios remotos.

accionamientos eléctricos que pueden ser accesados remotamente mediante un entorno compacto, simple y

Mejora el proceso de aprendizaje pues la experimen-

visual que permite a los alumnos programar los autóma-

tación no presencial ayuda a fijar los conocimientos

tas y trabajar con los diferentes componentes que con-

teóricos.

forman la estación. Los únicos requerimientos para poder trabajar con la plataforma son el software abierto de pro-

Los laboratorios remotos no son un tema nuevo sino más

gramación CodeSys y una conexión a Internet para des-

bien un tema de interés actual para muchas instituciones

cargar el programa al autómata y comprobar y supervisar

educativas, sobre todo aquellas que tienen programas de

el funcionamiento gracias a una cámara IP.

formación a distancia y que como el caso de Tecsup constituyen un complemento ideal a la formación que se da

El laboratorio de la EST-UEA (Manaus, Brasil) incorpora

a través del campus virtual y permite complementar de

diferentes tipos de accionamientos y automatizaciones

manera eficiente la formación presencial.

dentro del área de Mecatrónica, es decir, accionamientos eléctricos y neumáticos unidos a los controladores de ro-

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bots y máquinas herramientas. Para su integración al sis-

de acceso para realizar una práctica a distancia mediante

tema de prácticas de enseñanza a distancia se utiliza un

una cuenta y un password.

PLC Wago 750-841 y un PLC Telemecanique TSX3722 con módulo de Internet ETZ 410. A nivel de software de pro-

Trabajos previos sobre laboratorio accesibles por Internet

gramación se utiliza el software abierto CodeSys y una cá-

sugieren que el compartir los recursos mediante una ar-

mara Web para que el alumno pueda supervisar el desa-

quitectura sencilla es muy limitante y en lugar de facilitar

rrollo de la práctica cuando trabaja a través de Internet.

el acceso y el desarrollo de las experiencias remotas, es un foco de frustraciones que conducen a la inutilización de

La plataforma instalada en la Universidad del Oriente de

esta modalidad de enseñanza.

Santiago de Cuba, dispone de un sistema Web que permite el acceso al estado de todas las entradas y salidas del

Empezaremos por distinguir los tres tipos de experimen-

autómata, así como a la información de la configuración

tos de laboratorio que se pueden poner en línea a través

del PLC, entre otros datos adicionales. Con esta informa-

de Internet.

ción los usuarios pueden verificar el funcionamiento de sus programas descargados al PLC. Se puede acceder a la

Experimentos tipo Batch o por lotes: en este tipo de ex-

página de enlace del autómata a través de un hipervín-

periencias el estudiante especifica todos los parámetros

culo incrustado en la plataforma Moodle junto con otros

que gobiernan la ejecución de un experimento antes que

documentos e información de interés para la realización

empiece el mismo. La sesión de laboratorio consiste en

de las prácticas.

enviar un protocolo de prueba con toda la información necesaria para el experimento, ejecutar el experimento y

Una variante interesante es la utilización de software co-

luego, adquirir la información para analizar los resultados.

mercial para entornos de laboratorio como el LabView

Normalmente este tipo de experimentos se ejecutan de

mencionado por Vargas, Hector y colaboradores [4]. La

manera rápida y no requieren de separación de sesiones.

arquitectura del entorno de experimentación consta de un computador como servidor Web, que centraliza los

Experimentos con sensores: en un experimento con sen-

servicios y módulos de trabajo asociados a cada laborato-

sores el estudiante no puede usualmente especificar nin-

rio remoto (applet Java y documentación) y realiza la ges-

gún parámetro aunque sea posible seleccionar los datos

tión de usuarios y recursos, interactuando con una base

de un sensor en particular. En la ejecución del experimen-

de datos. De otra parte, cada planta del laboratorio es

to se recibe la información en forma digital o en gráficos

controlada por un ordenador con LabView 8.2 y tarjetas

de tendencias. Este tipo de interfaces a veces muestran

de adquisición de datos National Instruments. Las aplica-

herramientas para filtrar o procesar posteriormente la

ciones LabView desarrolladas realizan el cierre del lazo de

información, como en el caso de aquellas que permiten

control en tiempo real e intercambian datos a través de

activar alarmas o envío de notificaciones por e-mail.

111

conexiones TCP/IP. En el lado del cliente, la interfaz con la que un usuario manipula el laboratorio de forma remota

Los experimentos con sensores frecuentemente tienen

corresponde a un applet Java.

un flujo de datos muy asimétrico. Esto puede tomar desde unos cuantos bits hasta un flujo de datos mucho mayor,

Un desarrollo mucho más sofisticado y bastante con-

lo cual puede consumir mayor ancho de banda. Algunos

fiable es el Campus Project del Instituto Tecnológico de

sensores envían la información de manera continua sin

Massachusetts (MIT) que cuenta con el financiamiento de

garantizar si esta llega completa a su destino. Otros pue-

Microsoft para aprovechar el potencial de los laboratorios

den almacenar temporalmente la información y median-

accesibles por Internet [5].

te comandos apropiados pueden ser accesados en forma remota.

Otro entorno de laboratorios remoto actualmente en funcionamiento es el que está disponible en el Instituto

Experimentos interactivos: en un experimento inte-

Tecnológico de Monterrey (ITESM); el TeleLab [6] presenta

ractivo, el estudiante típicamente configura una serie de

una plataforma de acceso remoto al laboratorio de auto-

parámetros, inicia el experimento y luego monitorea su

matización y consta principalmente de tres partes: una

desarrollo, pudiendo cambiar los parámetros de control

página web de libre acceso conteniendo toda la informa-

si es necesario. Un experimento interactivo puede ser

ción necesaria; un sistema de reservaciones para separar

concebido conceptualmente como una secuencia de in-

las sesiones de trabajo en el laboratorio y una interfase

tervalos de monitoreo y ajustes de control. En general, los

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intervalos de control tienen muchas de las características

El proceso implementado en un módulo didáctico ADI-

de los experimentos tipo batch y los intervalos de moni-

RO (Figura 2) es un alimentador doble que consta de dos

toreo son como los experimentos con sensores. Los regis-

surtidores removibles por gravedad para almacenamien-

tros de una sesión experimental incluyen normalmente

to de cilindros o bloques con perfil cilíndrico de 50mm

la hora en que sucede un evento, y los datos que arrojan

de diámetro de lado. Un cilindro de doble efecto con

los sensores, así como otra forma de documentación que

interruptores tipo reed y válvulas de control de flujo de

puede incluir imágenes o video.

una vía, empuja la pieza trabajada para su retiro del surtidor. Se tiene un microswitch fijado a la base de la pieza

PROCEDIMIENTO

de montaje para identificar la disponibilidad de la pieza a trabajar. El cilindro neumático sin rodillo está previo al

Hardware del módulo experimental para configuración y monitoreo remoto de redes AS-i:

surtidor.

Los elementos sensores y actuadores están conectados a unidades esclavas Siemens convertidoras de protocolo

La arquitectura que proponemos permite realizar algunas

AS-i de cuatro entradas/cuatro salidas o dos entradas/

experiencias en el campo de la automatización. Desarro-

dos salidas.

llaremos en particular una por ser la más avanzada dentro de las tareas que tenemos pendientes. El módulo experi-

La red AS-i, utiliza un cable estandarizado IDC de dos hilos

mental para configuración y monitoreo de redes en pro-

para interconectar los diferentes módulos AS-i. Estos mó-

tocolo Actuator Sensor Interface (AS-i), permite realizar

dulos se alimentan con 24VDC y reciben la información

tareas de configuración, programación y monitoreo de un

en modulación APM desde una estación maestra AS-i por

proceso secuencial de variables discretas en un entorno

el mismo cable IDC. El Master AS-i es un micro PLC Pepper

interactivo.

+ Fuchs que interroga cíclicamente a las estaciones esclavas en intervalos menores a los 2 ms. y actualizan las señales de entrada y salida en su memoria para interactuar con el proceso.

112

El master AS-i debe ser configurado con las direcciones de las estaciones esclavas y los tipos de las unidades de entrada y salida existentes en la red. Debe ser programado también con instrucciones de programación en lista de instrucciones semejantes a las utilizadas en Step 5 de los PLC Siemens. La configuración y programación del máster AS-i se hace con ayuda del software AS-interface Control de Bihl + Wiedermann descargable desde Internet.

El master AS-i, vía conexión RS 232, se conecta a un Servidor Serial Anybus. Este dispositivo, es un Gateway que convierte los datos que recibe por el puerto serial y los encapsula en protocolo TCP/IP para enviarlos por una red Ethernet. Las conexiones a la red Ethernet del Servidor Serial y de la cámara IP Dlink, se hacen a través de un switch, de allí al servidor Web y finalmente a un router que accede a Internet (Figura 3).

Todo este arreglo está disponible para la Intranet de Tecsup y también en el Internet, por ahora de manera restringida mientras concluyen las pruebas para autenticar usuarios y optimizar el sistema de separación de turnos.

En el lado del cliente, para poder acceder a todos estos recursos, se debe descargar los drivers de la cámara, el softFigura 2. Laboratorio remoto de redes AS-i.

ware de Bihl + Wiedermann y del Servidor serial Anybus.

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Figura 3. Arquitectura del módulo remoto AS-i.

113

Figura 4. Pantalla del módulo remoto AS-i en el lado del cliente.

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Figura 5. Estructura del software.

114

La Figura 4 muestra la pantalla del módulo remoto AS-i

Módulo de software de acceso a hardware: este módu-

que observa el usuario en su computador. Se puede dis-

lo permite acceder físicamente al módulo a utilizar. Cada

tinguir la imagen del proceso en tiempo real, la arquitec-

módulo de hardware puede incluir diferentes interfaces

tura de la red AS-i, con las direcciones y los estados lógi-

de acceso, pudiéndose utilizar interfaces Ethernet, RS232,

cos de los sensores y actuadores. Se observa también el

RS485, entre otros. Este módulo se encarga de todos los

flujo de datos del servidor serial y la ventana de edición

detalles relacionados con los diferentes tipos de interfa-

del programa del Master AS-i.

ces a utilizar.

Software del módulo experimental de laboratorios remotos

Módulo de software control de la lógica de la aplicación: este módulo representa el componente principal de la aplicación Web. Realiza todas las acciones requeridas

A continuación se muestra el esquema de la arquitectura

por la aplicación, desde la identificación de cada parti-

de software de la solución propuesta que esta actualmen-

cipante hasta el control de las actividades realizadas en

te en proceso de desarrollo. En dicho esquema se resalta el

cada sesión de laboratorio.

empleo de un servidor Web, donde estará instalada la aplicación Web que atenderá las solicitudes de los usuarios.

Módulo de software de interfaces de usuario: este mó-

En dicho servidor se incluirá además el software adicional

dulo contiene los diferentes documentos y formularios

que permite controlar la operación de los módulos.

que serán utilizados por el usuario final para interactuar visualmente con la aplicación. Los componentes visuales

Base de datos: toda la información requerida para la ope-

a utilizar están separados de la lógica de la aplicación, por

ración del laboratorio debe estar almacenada en la base

lo tanto será independiente de la plataforma de software

de datos, la cual almacena información relacionada con el

utilizado para su implementación.

curso, laboratorios a desarrollar y los ítems individuales de cada tarea a ejecutar

Metodología

Módulo de software de acceso a datos: este módulo

Se ha aplicado el método de investigación exploratoria,

permite separar la lógica de la aplicación de acceso a la

el cual nos ha permitido identificar los diversos avances

base de datos. Esta permitirá que nuestra aplicación sea

y proyectos que se han realizado actualmente en este

independiente de la base de datos que se esté utilizando

campo. Muchos de los proyectos existentes son opera-

y si hubiera cambios en el futuro en su estructura, única-

cionales, funcionan, pero a su vez la mayoría representan

mente será necesario actualizar este módulo.

módulos muy específicos, es decir, que para adaptar un nuevo módulo de hardware es necesario rediseñar todo

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el módulo, lo cual requeriría un mayor tiempo para nues-

a través de nuestra aplicación Web a un laboratorio

tros objetivos. Uno de ellos consiste en implementar los

que está físicamente implementado en una institu-

módulos en el menor tiempo posible.

ción distante de nuestra ubicación.

RESULTADOS

• El diseño de módulos que utilicen entradas y salidas genéricas o estándares ha facilitado la implemen-

Los resultados obtenidos de esta primera experiencia con

tación de módulos fáciles de adaptar a través de la

laboratorios remotos son:

solución propuesta. Esto permite obtener un nuevo módulo y adaptarlo en un menor tiempo, además

• Se cuenta con un módulo de experimentación con

permite reducir el tiempo de pruebas para obtener

redes AS-i, accesible remotamente, el cual permite

una comunicación exitosa entre el módulo y la apli-

configurar, programar y manipular piezas plásticas

cación.

en un proceso discreto tipo Batch con ayuda de sensores y actuadores electroneumáticos.

• Existe una plataforma de software que permite administrar la información desde el cliente al servidor y viceversa. Esto garantiza la independencia de los detalles de implementación del acceso a la base de datos de la aplicación Web resultante.

• La separación de la interface de usuario del resto de la aplicación permite el empleo de diferentes plataformas de diseño de interfaces para su elaboración.

• La separación de los diversos módulos propuestos permite obtener una aplicación acoplada débilmen-

REFERENCIAS [1] Jiménez, L.M., Reinoso, O., Puerto, R., Azorín, J.M. Laboratorios remotos para las prácticas de ingeniería de sistemas y automática en la Universidad Miguel Hernández. (Alicante) España, 2003.

[2] García Zubía, Javier. e-learning y WebLab. Departamento de Arquitectura de Computadores, Automática y Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad de la Rioja España.

[3] Molas, L., Ferrater, C., Gomis, O., Sudriá, A., Boix, A., Benítez, I., Sicchar, R., Gomes, M., Roldán, F.V., Arias, K., Villafruela, L. “Integración internacional de plataformas de enseñanza a distancia de automatización con plcs”. Revista IEEE Iberoamericana de Tecnologías del Aprendizaje. Num. 1. Vol 1.

Nov. 2006, Vigo, España.

115

te entre sus diversos componentes, de tal forma que cualquier actualización o modificación posterior no requerirá mayor esfuerzo.

CONCLUSIONES • El empleo de laboratorios remotos permitirá ampliar la gama de cursos que se pueden dictar en forma virtual al tener acceso al equipamiento disponible en las instituciones de educación superior.

• Es posible, a través de convenios específicos, permitir

[4] LabVIEW en la Enseñanza del Control: Laboratorios Virtuales y Remotos de Automática. Héctor Vargas – UNED José Sánchez – UNED Sebastián Dormido – UNED. [5] The Challenge of Building Internet Accessible Labs. Accessible en www.mit.edu.

[6] Entorno TeleLab, disponible en http://TeleLab.mty.itesm.mx accesado en Setiembre 2008.

[7] Nuevas aportaciones didácticas de los laboratorios virtuales y remotos en la enseñanza de la Física. L. Rosado, J. R. Herreros, Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), Juan del Rosal 16, 28040 Madrid, Spain.

el empleo de laboratorios remotos de otras instituciones, para un alumno sería transparente acceder

[8] Moodle, accesado en setiembre del 2008 en : http://moodle.org.

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Saire A. , Gómez H. – Plataforma de aprendizaje a distancia en automatización industrial empleando laboratorios remotos

ACERCA DE LOS AUTORES Alfredo Saire Huamán es ingeniero electrónico con estudios de Maestría en Ingeniería de Sistemas. Ha participado en diversos proyectos relacionados con Tecnologías de Información en el Área de Investigación y Desarrollo del Instituto de Informática de la Universidad Nacional de San Agustín y en la Oficina de Registros Públicos de Arequipa.

Henry Gómez Urquizo es ingeniero electrónico, egresado de la Maestría en Ciencias con mención en Automatización e Instrumentación y con estudios de Doctorado en Ingeniería de Producción. Realizó cursos de especialización en Electrónica de Potencia en Colombia, Automatización Industrial, Redes y Protocolos de Comunicación Industrial en Alemania.

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Acceso a servicios en una pbx utilizando comandos de voz con asterisk Access to services in a pbx using voice commands with asterisk Renatto Gonzales

Resumen Implementar soluciones tecnológicas modernas es vital

integraremos con una librería de reconocimiento de voz

para que las compañías puedan competir actualmente.

para el reconocimiento de comandos hablados a través

Mejorar la forma de comunicarse obedece a la necesidad

del teléfono.

de acortar distancias, acortar tiempos y por consiguiente, reducir costos y brindar un mejor servicio.

Como resultado, obtendremos una central telefónica asterisk que recibirá comandos de voz de los usuarios a tra-

Actualmente los menús de voz interactiva o IVRs son muy

vés de la línea telefónica y los convertirá en acciones que

populares en las compañías porque permiten al usuario

serán ejecutadas por el servidor; para, luego, ser converti-

interactuar, mediante el envío de tonos, con las opciones

dos en respuestas que le llegarán al usuario por el mismo

de la central telefónica para acceder a los servicios que

medio. De esta manera nos acercamos más al despliegue

esta entrega. Los IVRs permiten, en muchos casos, auto-

de interfaces de comunicación que sean más fáciles de

matizar totalmente el acceso a los servicios, un ejemplo

utilizar y más naturales para los seres humanos.

117

podría ser: realizar una recarga virtual en un celular.

Abstract Entre otras alternativas de interacción encontramos el uso de reconocimiento de voz. Lo que se puede utilizar

Deploy modern technological solutions is vital for compa-

principalmente en dos tipos de aplicaciones: reconoci-

nies to compete today. Improve the way you communica-

miento de quién habla, pues se utilizan en autenticación

te due to the need to shorten distances, shorten time and

de usuarios y en qué es lo que se habla, ya que podemos

therefore reduce costs and provide a better service.

reconocer letras, palabras o frases completas. Esta última aplicación tiene múltiples usos y uno de ellos es el reco-

Currently, the voice interactive menus or IVRs are very

nocimiento de comandos de voz.

popular in companies because allow users to interact, by sending tones, with the options for the telephone to

El de comandos de voz puede ser agregado a las imple-

access the services that this release. In many cases, IVRs

mentaciones de IVR adicionándole una interface de co-

allow fully automate access to services; an example might

municación humana más natural, teniendo como ventaja,

be to perform a virtual recharge to a cell phone.

además, el disponer de las manos libres al no tener que marcar dígitos, lo que haría que esta aplicación sea parti-

Another option for interaction is using speech recogni-

cularmente útil para usuarios que quieren acceder a ser-

tion. Speech recognition can be used in two main types

vicios desde un automóvil u otro vehículo.

of applications: recognition of who speaks, these applications are used in user authentication, and in recognition

Los costos de una solución de este tipo pueden ser muy

of what he speaks, we can recognize letters, words or

altos dependiendo del hardware y software a utilizar; en

phrases. This latest application has multiple uses and one

nuestro caso, para mantener los costos lo más bajo po-

of them is recognizing voice commands.

sible, recurriremos al software libre. Utilizaremos el servidor de comunicaciones asterisk como plataforma de

The recognition of voice commands can be added to the

implementación sobre la cual se configurará el IVR y lo

implementations of IVR adding a more human-like inter-

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Gonzales R. – Acceso a servicios en una pbx utilizando comandos de voz con asterisk

face, taking the advantage of having free hands by not

A pesar de que los programas de reconocimiento de voz

having to dial digits. this would make this application par-

son actualmente bastante avanzados y los encontramos

ticularly useful for users who want access to services from

con facilidad en los dispositivos móviles, no son emplea-

a car or other vehicle.

dos todavía de manera masiva por las personas en sus tareas comunes. Algunos programas comerciales son poco

The costs of such a solution can be very high depending

accesibles debido a su costo lo que aleja más a las perso-

on the hardware and software that is used; in our case

nas y compañías de utilizar este tipo de tecnología.

to keep costs as low as possible we are going to use free software. We use asterisk as a communications server pla-

En este proyecto se presenta una alternativa de código

tform on which to implement the IVR will be set up and

abierto para implementar una aplicación de reconoci-

integrate it with a library of speech recognition to recog-

miento de voz, en particular el reconocimiento de co-

nize spoken commands over the telephone.

mandos de voz, utilizando como plataforma un servidor de comunicaciones asterisk y un sistema de reconoci-

As a result we get an asterisk PBX that will receive voice

miento de voz desarrollado por la Universidad Carnegie

commands from users through the telephone line and

Mellon, conocido comúnmente como Sphinx. Aunque se

convert them into actions that will be implemented by

ha planteado como escenario posible una aplicación en

the server, and then be converted into answers that will

particular es posible extenderla a otras aplicaciones apro-

reach the user through the same medium. In this way, we

vechando la flexibilidad de la plataforma escogida.

get closer to deploying more communication interfaces that are easier to use and more human-like.

Escenario propuesto

Palabras claves

El escenario planteado para este proyecto consiste en proporcionar una interface basada en reconocimiento de

Telefonía IP, telefonía con asterisk, reconocimiento de voz,

comandos de voz para la fuerza de ventas de una empre-

comandos de voz, IVR.

sa que se encuentra constantemente en el campo y requiere conocer en tiempo real las citas programadas, así

118

Key words

como escuchar los mensajes de su correo de voz.

IP Telephony, telephony with asterisk, voice recognition,

La fuerza de ventas cuenta con celulares convencionales

voice commands, hybrid telephony, IVR.

que utilizarán para acceder a los servicios de agenda de citas y correo de voz. Una persona en la compañía, agendará

INTRODUCCIÓN

durante el día, nuevas citas o modificará las existentes.

Los primeros sistemas de reconocimiento de voz apare-

El objetivo de esta implementación es que la fuerza de

cieron a fines de los años 80 y permitían introducir infor-

ventas no necesite regresar a la oficina y se mantenga

mación a la computadora utilizando sintetizadores, pero

todo el día en el campo, monitoreando en tiempo real sus

su desempeño no era suficiente para satisfacer a los con-

mensajes y su agenda. Un gráfico que describe el escena-

sumidores.

rio planteado lo vemos en la Figura 1.

El reconocimiento de voz permite convertir las palabras

FUNDAMENTOS

habladas por una persona en una entrada que pueda ser utilizada por una máquina. Las aplicaciones del reco-

Para cumplir el objetivo planteado en el escenario pro-

nocimiento de voz son variadas y van desde el marcado

puesto, utilizaremos como plataforma de implementa-

(utilizado por ejemplo en los celulares), ingreso de datos,

ción un servidor de comunicaciones Asterisk, una base de

conversión de voz a texto (utilizado en programas de dic-

datos MySQL para almacenar la información relacionada

tado para procesadores de textos o correos electrónicos),

con las agendas de los vendedores, Festival como servidor

aplicaciones para personas discapacitadas hasta su uso

de TTS y Sphinx como sistema de reconocimiento de voz.

para controlar aeronaves en aplicaciones militares.

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Gonzales R. – Acceso a servicios en una pbx utilizando comandos de voz con asterisk

Figura 1. Escenario planteado.

Se implementaran cuatro sistemas base: - Central telefónica basada en asterisk.

encuentran. Esta aplicación cuenta además con una interface para que los vendedores puedan ingresar a su buzón de voz y consultar sus mensajes. Para implementar este

- Sistema de reconocimiento de comandos de voz.

sistema utilizaremos las aplicaciones integradas de aste-

- Sistema de correo de voz.

risk: Voicemail y VoiceMailMain.

- Sistema de agenda de ventas, utilizará un motor TTS para convertir en palabras habladas la información en la base de datos.

Asterisk actuará como central telefónica y, aprovechando su flexibilidad para integrarse con otros sistemas y lenguajes de programación, lo utilizaremos, además, como la plataforma sobre la cual implementaremos el sistema de correo de voz y el sistema de agenda de ventas.

El sistema de reconocimiento de comandos de voz será implementado utilizando el sistema Sphinx sobre asterisk, su función es reconocer los comandos de voz ingresados por el usuario a través del teléfono. Este sistema, a su vez, se integrará con asterisk para comunicar al usuario con cualquiera de los dos servicios que solicite: correo de voz o agenda.

El sistema de agenda de ventas consiste en una aplicación que genere una agenda en base de datos para los vende-

119

dores. Cuando un vendedor llame la agenda le leerá sus nuevas citas o la modificación de las existentes. Para esto se utilizará una aplicación TTS (Text To Speech) de código abierto conocida como Festival, que leerá para el usuario el texto obtenido de la base de datos.

Cabe recalcar que para este proyecto no se ha implementado la interface que permite ingresar las citas en la base de datos, por lo que esta tarea se realizó directamente.

Hardware Para implementar esta solución se utilizaron los siguientes equipos: Servidor de Comunicaciones

Para este proyecto se definirán dos comandos de voz que activaran las aplicaciones: CORREO y AGENDA. Cabe resaltar que el reconocimiento de comandos de voz será independiente del hablante.

El sistema de correo de voz recibirá los mensajes de voz que dejen los clientes cuando llaman a los anexos de los

- Pentium IV 3.0 Ghz - Memoria RAM: 521 KB - Disco Duro: 40 GB - 1 tarjeta de red - 1 tarjeta Digium TDM404P

vendedores en las oficinas de la compañía y éstos no se

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Gonzales R. – Acceso a servicios en una pbx utilizando comandos de voz con asterisk

Licea Telulink

TTS (Text to Speech)

- 1 puerto FXO

Festival, es un programa de código abierto de sinteti-

- 1 chip GSM Teléfono celular Software Para implementar esta solución se utilizó el siguiente software:

zación de voz que convierte una entrada escrita en una salida hablada a través de la generación de voz sintética.

Puede ser integrado con asterisk para convertir las entradas de texto en voz que será enviada por un canal hacia un teléfono o troncal telefónica.

PROCEDIMIENTO Servidor de comunicaciones:

Servidor de Comunicaciones - Sistema Operativo Linux CentOS 4.4

1. Instalar el sistema Operativo Linux CentOS 4.4 en la PC seleccionada como servidor de comunicaciones.

- Asterisk y librerías (ZAPTEL, LibPri) Estaciones de trabajo - Softphone: X-Lite o SJphone

Instalación del servicio de correos 2. Instalar un servidor de correos interno utilizando Sendmail (viene por defecto en la distribución CentOS 4.4).

Reconocimiento de Comandos de Voz: CMU Sphinx: conocido simplemente como Sphinx, hace

Instalación del servicio asterisk

referencia a un conjunto de sistemas de reconocimiento de voz de código abierto desarrollado por la universidad

3. Compilar asterisk y las librerías necesarias en el siguiente orden:

Carnegie Mellon que abarca los siguientes sistemas:

120

a. Compilar la librería ZAPTEL

voz, utiliza Modelos de Markov Ocultos (HMM son las si-

b. Compilar la librería LIBPRI

glas en inglés) con salidas semicontinuas de funciones de

c. Compilar Asterisk

Sphinx2: es un sistema rápido para reconocimiento de

densidad de probabilidad y a pesar de no ser tan preciso como Sphinx3 o Sphinx4 correo en tiempo real lo que lo hace ideal para ese tipo de aplicaciones.

4. Configurar la tarjeta analógica Digium TDM404P utilizando el archivo /etc/zaptel.conf, aquí determinamos la señalización y el tipo de interfase.

Sphinx3: también utiliza Modelos de Markov Ocultos (HMM son las siglas en inglés) con salidas semicontinuas

Configuramos 4 interfaces FXO con señalización KewlS-

de funciones de densidad de probabilidad. Funciona en

tart.

diversos modos: el modo “Flat Decoder” es el de mayor precisión y el modo “tree decoder” es el más rápido.

5. Configurar los canales analógicos en el archivo /etc/ asterisk/zapata.conf. Esta configuración es necesaria

Sphinx4: Está basado en Sphinx3, pero ha sido desarrolla-

para poder utilizar los canales analógicos en el plan

do enteramente en Java.

de discado, asterisk reconocerá estos canales analógicos como canales ZAP.

Para esta implementación utilizaremos Sphinx2 debido a su rapidez y características de trabajo en tiempo real; cabe

Estos canales serán utilizados principalmente como líneas

agregar que la mayor cantidad de información encontra-

de entrada por lo que las pondremos dentro de un con-

da en internet es relativa a la integración de Asterisk con

texto especial [sistema], esto hará que cada vez que una

Sphinx2.

llamada ingrese por cualquiera de estas líneas, la llamada sea recibida por asterisk en el contexto sistema.

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Figura 2. Tarjeta Digium TDM con 4 FXO instalada en el servidor de comunicaciones.

Configurando el correo de voz 6. La aplicación de correo de voz incluida en asterisk se configura en el archivo /etc/asterisk/voicemail.conf, aquí crearemos las cuentas de correo de voz para los usuarios y sus contraseñas. No será necesario configurar un servidor de correo electrónico, ya que sólo almacenaremos los mensajes de voz en el servidor y estos serán leídos por los usuarios a través del teléfono.

7. Configuraremos 2 anexos SIP para que actúen como anexos locales en la central asterisk. A cada uno de ellos se le agregará en el plan de discado una aplicación Voicemail(), para que reciban el mensaje si es que los usuarios no contestan la llamada.

Configurando el plan de discado 8. El plan de discado es de vital importancia. Aquí crearemos los contextos y las extensiones necesarias para recibir las llamadas y ejecutar las aplicaciones solicitadas por el comando de voz.

[agenda] Desde aquí se ejecuta la aplicación que ejecuta la agenda.

Ambas aplicaciones han sido creadas en contextos diferentes para evitar que cualquiera que llame a las líneas celulares tenga acceso directo desde el contexto “sistema”.

Un extracto del plan de discado lo vemos en la Figura 2.

LICEAs: 9. Los Liceas son conversores de líneas análogas a líneas celulares, tienen un puerto FXS donde se conecta un teléfono o una interface FXO. Utilizando un chip GSM es posible establecer y recibir llamadas desde celulares. La configuración del Licea es bastante simple, en realidad sólo hay que conectar cada puerto del FXO al Licea. El resto se configura en asterisk en el plan de discado.

Configuración de Sphinx Para configurar sphinx2 debemos descomprimir y compilar el siguiente software:

Los contextos que crearemos serán los siguientes:

- communicator-2000-11-17-2.tgz (Modelo Acústico)

[sistema]

- sphinx2-0.6.tar.gz (Software de reconocimiento de

Este contexto alojara la extensión que recibe las llamadas externas y las pasa por el procesamiento de voz.

121

voz) - sphinxbase-0.3.tar.gz (Librerías para Sphinx- II) - Speech-Recognizer-SPX-0.0801.tar.gz (Extensión Perl

[correo] Aquí se ejecuta la aplicación de correo de voz.

para Sphinx-II) - TARXXXX.tar.gz (Modelo de Lenguaje para Sphinx-II)

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Gonzales R. – Acceso a servicios en una pbx utilizando comandos de voz con asterisk

Figura 3. Plan de discado: contextos sistema, correo y agenda.

122

Operación de la solución En esta sección vamos a describir cómo funcionan todos

Si coincide con alguno de ellos es llevado al contexto in-

los elementos descritos anteriormente. El siguiente gráfi-

dicado. En caso de que no coincida se escucha un men-

co nos muestra la interacción entre los componentes del

saje de error y se regresa al usuario al inicio del IVR para

sistema.

escuchar otra vez las instrucciones.

1. El usuario llama a la central telefónica de la empre-

3. Si el usuario pronunció CORREO entonces una ins-

sa desde su celular. Asterisk contesta la llamada y le

trucción gotoif lo lleva al contexto “correo” desde el

responde con un IVR que le da la bienvenida y las ins-

cual se ejecuta su correo de voz.

trucciones para continuar.

4. Si el usuario pronunció AGENDA una instrucción 2. El usuario utiliza un comando de voz: CORREO o

gotoif lo lleva al contexto “agenda” desde donde se

AGENDA. El sistema graba la voz en un archivo de au-

ejecuta el script AGI búsqueda-agenda.pl, este script

dio con extensión WAV. Este es pasado por el sistema

utilizará el número del usuario que llama (a través de

de reconocimiento de comandos de voz, el comando

la variable de asterisk ${CALLERID(num)}) para buscar

reconocido se almacena en un archivo de texto, que

en la base de datos y dictarle sus últimas reuniones.

a continuación es leído por el script AGI voz-file.pl

Para esto se ha seleccionado una tabla simple con el

y comparado con los comandos válidos (CORREO Y

nombre del cliente y la fecha y hora de la reunión.

AGENDA).

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Gonzales R. – Acceso a servicios en una pbx utilizando comandos de voz con asterisk

Figura 4. Plan de discado: contextos sistema, correo y agenda.

RESULTADOS

CONCLUSIONES

• Los usuarios pueden realizar llamadas a la PBX aste-

• Es posible implementar un sistema de reconocimien-

risk desde un celular a través de los LICEAS y utilizar

to de comandos de voz a través de la red telefónica

comandos de voz para acceder a los servicios imple-

tradicional o IP utilizando software de código abier-

mentados.

to. Esto amplía las posibilidades de las compañías

• Los servicios permiten al usuario estar en contacto con información relevante a su trabajo en cualquier momento, utilizando un celular convencional y de forma automática sin necesidad que una persona en la compañía tenga que contestar las llamadas.

para aprovechar esta tecnología a un bajo costo y en plataformas flexibles.

• Utilizar asterisk como plataforma permite la integración con diversos sistemas, en este caso lo integramos con un sistema de reconocimiento de voz, obte-

• La integración de sphinx con asterisk depende bas-

niendo resultados muy favorables. Partiendo de este

tante de los scripts de programación que se imple-

punto es posible desarrollar otras aplicaciones de

menten, en este caso hemos utilizado un script que

mayor complejidad de acuerdo con las necesidades

se ejecuta en la línea de comandos de Linux.

particulares de las compañías.

• El grabar en un archivo de texto el comando recono-

• Los scripts para la integración con asterisk podrían

cido y luego leerlo con otro script reduce la eficien-

resumirse a un solo script que utilice la interface AGI

cia del sistema al tener que escribir y leer del disco

para ejecutar el reconocimiento de voz y guardar el

duro.

resultado en memoria para ser comparado. Esto me-

Adicionalmente el tener que ejecutar dos scripts para completar una única tarea agrega puntos de falla y consume recursos de ejecución.

• El reconocimiento de comandos de voz se hace utilizando modelos acústicos, en este caso se ha limitado a sólo dos comandos.

123

joraría la eficiencia del sistema, sobre todo si pensamos en una aplicación a gran escala.

• Sphinx2 ha demostrado ser un sistema de reconocimiento de voz rápido y potente, independiente del hablante que trabaja en tiempo real y cubre las necesidades básicas de esta implementación. Aun así será

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necesario hacer pruebas en entornos con un mayor número de llamadas consecutivas para comprobar la eficiencia y estabilidad de la solución.

REFERENCIAS [1] VoIP-INFO.ORG (2008, Octubre). Asterisk [en línea], Recuperado el 15 de mayo de 2008: http://www.voip-info.org/wikiAsterisk [2] The Sphinx Group at Carnegie Mellon. The CMU Sphinx Group Open Source Speech Recognition Engines [en línea], Recuperado el 02 de Setiembre de 2008: http://cmusphinx. sourceforge.net/html/compare.php [3] VoIP-INFO.ORG (2008, Mayo) Sphinx and Asterisk [en línea], Recuperado el 04 de Octubre de 2008: http://www.voipinfo.org/wiki-Sphinx

ACERCA DEL AUTOR Renatto Gonzales Figueroa es ingeniero electrónico. Cuenta con experiencia en la implementación de aplicaciones con herramientas de código abierto, orientado al desarrollo de aplicaciones de Telefonía IP sobre Asterisk.

124

Es investigador en el área de Redes de Datos y Telecomunicaciones. Sus áreas de interés son: Ingeniería de tráfico, Telefonía IP, desarrollo de aplicaciones de código abierto. Es consultor en soluciones con plataformas Linux, Java y PHP.

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Valencia M. – Sistema de control y monitorización industrial por línea telefónica

Sistema de control y monitorización industrial por línea telefónica Industrial Monitoring and control system by telephone line Miguel Valencia

Resumen Gracias a la microelectrónica, hoy en día podemos con-

El sistema de monitorización logra la recopilación de

trolar con mayor eficacia la mayoría de los procesos in-

datos usando sensores electrónicos, los cuales trabajan-

dustriales, así como monitorear su evolución y supervisar

do en conjunto con un circuito de muestreo y compara-

los resultados obtenidos. Estas tareas normalmente se

ción indican si el proceso está trabajando dentro de los

realizan en forma local, pero en algunas aplicaciones es

márgenes previstos o no. Este sistema al estar habilitado

necesario hacerlo remotamente, es decir fuera del am-

permanentemente, informará al supervisor, vía teléfono,

biente de producción o alejado del proceso en particular.

cuando se presente una emergencia en el proceso de

Para un acceso remoto al sistema de control se debe usar

producción.

algún medio de comunicación que permita transmitir los comandos u órdenes propios de las tareas de supervisión.

Abstract

Una opción para efectuarlo es a través de una línea telefónica. En este artículo se describe la implementación de

Thanks to microelectronics nowadays we can control

un sistema que permite realizar dos operaciones: activar

more effectively most of industrial processes, as well as

o desactivar dispositivos discretos (on/off ) y la monitori-

monitor their progress and monitor results. These tasks

zación de los mismos como herramienta de supervisión.

normally are realized locally but in certain applications,

125

we need doing that remotely, that means outer of process Para su implementación se usó una línea telefónica están-

environment or far of it. For a remote access to the control

dar, medio de comunicación del cual se valdrá el sistema

system we must use some media communication, it let

para enviar información de control y recibir información

transmits command and orders of supervision tasks. One

del estado de los procesos. El envío de información por

option to do that is trough a telephone line. This paper

línea telefónica se hace gracias a la utilización de señales

describes implementation of a system that realizes two

de audio frecuencia mediante la codificación DTMF (do-

operations; turn on and turn off discrete devices and se-

ble-tono multi-frecuencia). Con cada tecla del teléfono se

cond monitors the process as a tool of supervising.

genera este tipo de señales, lo cual permitirá codificar y decodificar cada suceso, ya sea del sistema de seguridad

For its implementation we use a standard phone line, a

o del sistema de monitorización y esto se da en ambos

communication mean which the system uses to send

sentidos.

control information and receive information about state of process. The sending of information by telephone line

El sistema de control de dispositivos realiza su tarea gra-

is possible thanks to the using of audio frequency signals

cias a un circuito electrónico de adaptación telefónica, el

through coding DTMF (Dual-tone multi-frequency). With

cual permite accionar diferentes dispositivos como por

each key of phone we generate this kind of signals, it let

ejemplo: encender una bomba de agua, variar la veloci-

us code and decode each event of the process.

dad de un motor o invertir su giro; incrementar o disminuir la velocidad de un proceso, activar o desactivar alarmas, etcétera.

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Valencia M. – Sistema de control y monitorización industrial por línea telefónica

The control system of devices performs its tasks through

los podemos interpretar para luego transformarlos en in-

an electronic circuit adaptation phone, which will handle

formación digital, la cual posteriormente se podrá proce-

various devices, such as turning on a water pump, vary the

sar, según nuestras necesidades. En la Tabla 1 se muestran

speed of an engine or invest their turn, increase or decrease

los doble-tonos utilizados en telefonía que registran los

the speed of a process, arm and disarm alarms and so on.

dígitos y las letras.

The monitoring system manages the collection of data using electronic sensors, which work together with a circuit and sampling permitted comparison define whether the process is working within the range expected or not.

This system when is enabled permanently reports to supervisor by phone when there is an emergency in production process.

Palabras claves

Tabla 1. Tabla de frecuencias DTMF.

Decodificador DTMF (doble-tono multi-frecuencia), mi-

De manera análoga, si se quiere codificar información

crocontrolador, codificación, voltaje RMS (raíz media cua-

para ser enviada, se tendrán que generar estos tonos de

drada), opto - acoplador, circuitos de potencia, CI (circuito

frecuencia, lo cual se hará con un circuito electrónico de

integrado), BCD (decimal codificado en binario).

discado, el cual no es más que un generador de frecuencias que cumple las mismas funciones que un teléfono

126

Key words

doméstico.

Decoder DTMF (dual-tone multi-frequency), microcontro-

El enviar voz acompañando el aviso de un determinado

ller, codification, voltage RMS (root mean square), opto -

suceso en el sistema de monitorización no es un proceso

coupler, power circuits, CI (integrated circuit), BCD (binary

complicado; por el contrario, es sumamente sencillo: para

coded decimal).

el grabado de los diferentes mensajes se usará un circuito de voz o simplemente una grabadora de CDs, donde

INTRODUCCIÓN

se grabarán las diferentes pistas y gracias a un lectora de CDs se usarán cuando se les requiera, de acuerdo con el

En gran número de empresas es necesario realizar opera-

suceso ocurrido.

ciones fuera de horas de trabajo, como son: el encendido de motores, bombas de agua, habilitar contactores o relés,

Finalmente, si queremos hacer de nuestro sistema un sis-

revisar el nivel de agua de un tanque, recibir reportes de

tema autónomo será necesario que cuente con un circui-

procesos fallidos o de ingresos de personal en horas no

to de detección de timbrado y descolgado automático, el

programadas, etcétera. Contando con un teléfono celular

cual se hará con un microcontrolador que se programará

e implementando este sistema es posible realizar estas y

de acuerdo con nuestras necesidades o requerimientos

muchas otras operaciones.

del sistema.

El uso de una línea telefónica para el codificado de infor-

PROCEDIMIENTO

mación es una alternativa bastante interesante, ya que toda empresa cuenta con una línea telefónica estándar, por lo que no es necesario adquirir una adicional para im-

Descripción del sistema

plementar este sistema.

En la Figura 1 se observa las tres etapas del proyecto: de Cuando se entabla una conversación telefónica, ya sea

adaptación de línea telefónica, de control y de monitori-

por teléfono celular o por un teléfono doméstico se pue-

zación; las dos últimas son independientes una de otra en

den enviar y recibir los diferentes tonos correspondientes

su funcionamiento; sin embargo, pueden interactuar en

a cada tecla del teléfono, estos son una combinación de

paralelo por medio del adaptador de línea telefónica.

frecuencias DTMF (doble-tono multi-frecuencia). Si se nos envían estos tonos, nosotros, mediante un decodificador

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Figura 1. Diagrama general de bloques.

Figura 2. Diagrama de bloques del adaptador de línea telefónica.

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Figura 3. Diagrama de bloques del sistema de control.

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Sensores electrónicos

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Figura 4. Diagrama de bloques del sistema de monitorización.

El adaptador de Línea Telefónica, como se aprecia en la

El Sistema de Monitorización, mostrado en la Figura 4,

Figura 2, es un circuito que permite convertir las señales

consta de una serie de circuitos electrónicos que se deta-

analógicas que se transmiten por una línea telefónica a

llan a continuación:

formato digital de 5Vpp. La primera de ellas es la señal

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de timbrado, la cual es de alto voltaje 90 Vrms aproxima-

• Sensores electrónicos, que trabajando conjuntamen-

damente, y las siguientes son las de tonos de frecuencia

te con un circuito de muestreo y comparación, per-

con amplitudes de 23 a 30 Vrms aproximadamente. Esto

mitirán definir si el proceso está trabajando dentro

se logra gracias a un circuito optoacoplador, que reduce

de los márgenes previstos o si no lo está haciendo.

la amplitud de dichas señales, además de convertirlas a señales cuadradas, las cuales se considerarán formato digital previa adaptación.

• Microprocesador y memoria, que generarán los tonos telefónicos requeridos en formato digital, los cuales formarán un número donde se enviará el reporte de

El sistema de control, mostrado en la Figura 3, consta de

monitorización y el microprocesador activará adicio-

una serie de circuitos electrónicos que se detallan a con-

nalmente el circuito de voz.

tinuación: • Circuito de descolgado, que tiene la función de con-

• Circuito de discado, que recibirá los tonos telefónicos

testar automáticamente las llamadas telefónicas, y

en formato digital que fueron generados por el mi-

se realizará después de un número determinado de

croprocesador para convertirlos a señal analógica, así

intentos, además de contar con un código de valida-

la información podrá ser transmitida en banda base

ción para evitar el acceso de intrusos en el sistema.

por la línea telefónica.

• Decodificador DTMF, que tiene la función de convertir los tonos de timbrado a valores binarios comprensibles por el microprocesador.

• Circuito de voz, con el cual se podrán enviar los diferentes mensajes de voz para los sucesos ocurridos,

• Microprocesador y memoria, que enviará las órde-

y que también será controlado por el microprocesa-

nes para las diferentes operaciones a realizar, según

dor, el cual programará la pista de voz necesaria. Las

el tono de timbrado recibido que, previamente, fue

pistas de voz están grabadas en un CD, por ello será

decodificado a binario.

necesario el uso de una lectora de CD para su repro-

• Circuitos de potencia, que tienen la función de lograr la interfaz entre los dispositivos electromecánicos con

ducción, la cual también será activada y controlada por el microprocesador.

el control digital que generará el microprocesador.

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RESULTADOS Los resultados de este proyecto se ven en función de los circuitos y placas electrónicas de la implementación, debido a que el sistema se estableció como módulo educativo que se usará dentro de los laboratorios de electrónica.

Figura 5. Circuito de fuente de alimentación.

Para el diseño del módulo se tomaron las consideraciones del caso, como son: un dimensionamiento adecuado para

Circuito adaptador de línea telefónica

su maniobrabilidad; fácil acceso a los componentes, ya sea para su reemplazo como para hacer mediciones de for-

Como se observa en la figura 6, gracias al optoacoplador

ma sencilla y rápida de las diferentes etapas; indicadores

4N35 y al transistor NPN BC547 convertimos las señales

visuales por cada señal; modularidad en los dispositivos

de timbrado analógico superiores a los 50 Vpp a señales

utilizados; cableado externo adicional en caso se quiera

en formato digital de 5Vpp, las cuales serán utilizadas por

rectificar o variar el funcionamiento; entre otros aspectos.

el microcontrolador del sistema de descolgado.

Circuito de fuente de alimentación Circuito diseñado para proporcionar voltajes DC de 5 y 12 voltios. Su funcionamiento se basa en el uso de reguladores encapsulados de voltaje de la familia CI 78XX y condensadores tanto electrolíticos como cerámicos para filtrar el potencial ruido o picos de corriente o voltaje que se generen en el transformador de alimentación con núcleo de ferrita.

Figura 6. Circuito adaptador de línea telefónica.

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Figura 7. Microcontrolador del sistema de descolgado.

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Figura 8. Circuito grabador del microcontrolador PIC 16F84A.

Microcontrolador del sistema de descolgado El microcontrolador usado es un PIC de la familia 16F84X marca Microchip cuyo circuito se muestra en la Figura 7.

La configuración presentada es una configuración típica utilizando el Puerto A (PortA) como estradas de señal y el

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Puerto B (PortB) como salidas de control.

Circuito grabador del microcontrolador PIC 16f84a El grabado del microcontrolador se hizo gracias al grabador experimental JDM por puerto COM1 (Conector DB9) usando la interfaz de comunicaciones RS232, como se ve en la Figura 8 y el software de programación ICProg.

Microprocesador y memoria Esta etapa esta delegada a un microprocesador similar al usado en el sistema de descolgado, se usa la misma configuración, lo que varía de uno a otro módulo son los programas grabados en cada uno de ellos.

Circuito de descolgado telefónico El descolgado de la línea telefónica se hace con dos relés normalmente cerrados, como muestra en la Figura 9, los cuales son habilitados gracias a una señal digital generada por el microcontrolador de descolgado y un transistor NPN BC547 encargado de la polarización de la bobina del relé.

Figura 9. Circuito de descolgado telefónico.

Decodificador DTMF El circuito mostrado en la Figura 10 usa un CI decodificador DTMF MT8870 en una configuración típica los tonos analógicos de timbrado telefónico se convertirán en señales BCD (Binary coded decimal-decimal codificado en binario), las cuales serán procesadas por el microprocesador.

Relés activadores de Circuitos de potencia Los circuitos de potencia no son más que cargas eléctricas como motores, bombas de agua o incluso un brazo robotizado, las cuales son activadas con el accionamien-

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Figura 10. Decodificador DTMF.

to de relés,como se ve en la Figura 11. La configuración

Innovaciones y mejoras Tecnológicas

usada en esta etapa es de relés normalmente cerrados o abiertos según sean los requerimientos de las cargas y su

• El usar una línea telefónica estándar para un servicio

número variará en función de las cargas que se deseen

adicional que no sea el de llamadas telefónicas o ser-

controlar.

vicio de Internet es un gran aporte, pocas empresas hacen uso de este beneficio, algunas de ellas lo ha-

Discusión de resultados

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cen para servicios de telemetría o similares, pero las empresas que brindan estos servicios cobran men-

Antes de implementar este proyecto, en su proceso de

sualidades por mantenimiento, además de requerir

formulación, se vio que debía de ser cuantificado según

una línea dedicada para su servicio.

las innovaciones y mejoras que brindará a la industria; es por ello, que luego de su implementación y el análisis de

•

El poder controlar un proceso complejo, o simple-

su funcionamiento, se clasificaron las mismas en dos aé-

mente el encender motores, apagar o invertir su giro

reas, en el área tecnológica y en el área de en servicios.

mediante un circuito operado desde un teléfono es una idea innovadora, con este diseño se puede lograr un control interactivo.

• El uso de microprocesadores en el diseño de proyectos industriales nos lleva un paso adelante en la tecnología, ya que al disminuir el tamaño de los circuitos y la complejidad de sus diseños permite la modificación de las funciones iniciales, gracias a que se pueden reprogramar, por ello no será necesario hacer cambios en la estructura física del circuito.

Innovaciones y mejoras en servicios

Figura 11. Relés activadores de circuitos de potencia.

• El usar la línea telefónica para un sistema de control y monitorización es sumamente económico, ya que no

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se tendrá que pagar montos adicionales como suce-

• El usar una línea telefónica requiere de un análisis

de con empresas que brindan servicios similares, tan

minucioso de las señales analógicas que son transmi-

sólo se tendrá que adquirir el sistema e instalarlo.

tidas por la línea telefónica, el cual nos servirá como fundamento y base para luego poder llevarlas a for-

• Este proyecto sienta las bases para más adelante

mato digital, si bien es cierto las líneas telefónicas

poder implementar una central de servicios de tele-

están estandarizadas en sus frecuencias de sus tonos

metría por línea telefónica. Es cierto que el diseño se

y valores de amplitud, siempre es necesario verificar

complicaría sustancialmente, pero se puede lograr

estas aseveraciones, lo cual se puede hacer con un

con la tecnología adecuada.

osciloscopio, un frecuencímetro o multímetro.

• En la actualidad Los sistemas de monitorización

• Este sistema al no ser muy complejo puede presentar

tienden al uso de cámaras para poder observar los

variaciones y mejoras en un futuro, las bases para un

sucesos en tiempo real, lo cual es usual implementar

diseño más complejo están sentadas. El incrementar

a través de Internet. Este proyecto serviría como un

las prestaciones de este sistema tan sólo depende-

pequeño bloque en un sistema de estas característi-

rá de los periféricos y componentes adicionales que

cas, ya que siempre se necesitará un sistema de so-

se utilicen, ya que ellos determinaran la cantidad de

porte para que brinde la señal de alerta inicial. Esto

componentes que se pueden controlar o la cantidad

es factible ya que las líneas telefónicas actuales so-

de sensores para la detección de movimiento u otros

portan teléfono e Internet.

sucesos o, incluso el control de otros dispositivos.

CONCLUSIONES

REFERENCIAS

• Siempre que se trabaje con sistemas que necesiten

[1] GTZ (Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit). Electronics Course III - Modules in Micro-electronics.

Heinz-Piest-Institud für Handwerkstechnik at the University of Hannover, Alemania; 1996.

procesamiento de datos, ya sea para almacenamiento y/o envío, es recomendable trabajarlos en formato digital; por ejemplo, si la información que nos llega

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esta en formato analógico será necesario convertirla a formato digital; análogamente si se requieren generar señales analógicas primero se generarán en formato digital y luego se convertirán a sus equivalentes analógicas.

• El implementar un sistema de control para dispositivos tanto electrónicos y/o mecánicos, requiere de una interfaz que permita convertir las señales de mando digitales a señales eléctricas o mecánicas, pues las señales digitales son muy fáciles de proce-

[2] Huidobro Moya, José Manuel. Manual de Telecomunicaciones. RA-MA Editorial, Madrid, España; 2004.

[3] Rogers, Everett M., Larsen, Judith K. La Fiebre del ”Silicon Valley”. Editorial Reverté S.A., Barcelona; 1986.

[4] Tomasi, Wayne. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas cuarta edición. Pearson Educación, México; 2003.

[5] Kong, Maynard, Lenguaje Ensamblador Macro Assembler primera edición. Fondo Editorial de la Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú; 1989.

ACERCA DEL AUTOR

sar y almacenar, pero no son muy útiles para el control industrial, por ello se hace indispensable el uso de etapas de adaptación.

• El implementar un sistema de monitorización de estas características y prestaciones requiere de un fundamento en electrónica tanto analógica como

Miguel Valencia, es ingeniero electrónico y miembro de Cisco Networking Academy. Con especialización en Telecomunicaciones. Ganador del primer concurso de tecnología de Tecsup Arequipa. Ha focalizado sus áreas de interés en Telecomunicaciones y Redes.

digital y telefonía bastante amplia; para implementar cada uno de los circuitos es necesario hacer bastantes pruebas y mediciones, que permitirán ubicar errores en los diseños o incluso ruido generado por la mala soldadura de los circuitos impresos o la calidad de los componentes.

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