SISTEMA EMBEBIDO PARA CONTROL, SUPERVISIÓN Y COMUNICACIÓN, DE UN HORNO DE PANADERIA. DANIEL FELIPE QUINTERO DE LOS RIOS PEDRO PABLO MURILLO UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI, 2015
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SISTEMA EMBEBIDO PARA CONTROL, SUPERVISIÓN Y COMUNICACIÓN, DE UN HORNO DE PANADERIA.
DANIEL FELIPE QUINTERO DE LOS RIOS PEDRO PABLO MURILLO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SANTIAGO DE CALI, 2015
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SISTEMA EMBEBIDO PARA CONTROL, SUPERVISIÓN Y COMUNICACIÓN, DE UN HORNO DE PANADERIA.
.
DANIEL FELIPE QUINTERO DE LOS RIOS PEDRO PABLO MURILLO
INFORME FINAL DE PROYECTO DE GRADO PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRONICO
Director:
Magíster Juan Carlos Cruz
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
Figura 42. Diagrama de prueba del control Fuzzy (Fuente propia). ..................................... 78
Figura 43. Gráfica del muestreo de datos del control Fuzzy (Fuente propia). .................... 80
Figura 44. Respuesta del control difuso ante un disturbio (Fuente propia). ........................ 81
Figura 45. Función de transferencia real del horno de cocción de pan (MATLAB). ........... 82
Figura 46. Sistema modelado en Simulink (MATLAB). ........................................................... 82
Figura 47. Respuesta del sistema ante un escalón (MATLAB). ............................................ 82
Figura 48. Diagrama final del control On/Off (Fuente propia). ............................................... 83
Figura 49. Gráfica del Muestreo de datos del control On/Off en el horno de cocción de
pan (Fuente propia). ...................................................................................................................... 85
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RESUMEN
La panadería “Estrella del pan” ubicada en la Carrera. 46 # 45 – 92 Barrio Mariano
Ramos, cuenta con un horno rotatorio que trabaja a gas para la parte de la cocción
y con electricidad para hacer girar las latas donde se ubica el pan, también para
alimentar una electroválvula de gas, la cual permite el control de temperatura que
debe ajustarse a 145º C.
El horno cuenta con un control ON/OFF, sin uso, y tiene espacio para almacenar
hasta 12 latas pequeñas independiente del tamaño del pan. Actualmente no cuenta
con un sistema de control adecuado para el horneado de sus productos. El proceso
es manual y depende de la experiencia del panadero. Esto se ve reflejado en un
consumo mayor de energía. Le corresponde al panadero determinar los tiempos
exactos de cocción de cada referencia de pan. Si por alguna razón se ausenta,
afecta directamente el proceso de la panadería porque es el que tiene definido los
tiempos de cada una de las referencias de pan. Es así como se evidencia una
necesidad imperiosa de elaborar un control automático para la cocción de los panes
en la panadería Estrella del pan.
Por otra parte, la administración desea captar más clientes ofreciendo un servicio
adicional: saber en qué momento hay pan caliente en la panadería. Esto se espera
lograr, a través del uso de las TIC (Tecnologías de la información y comunicación),
dándole un valor agregado importante al negocio.
La metodología utilizada en este trabajo de grado inicia con un estudio del proceso
de horneado de cada referencia de pan y del horno utilizado para la cocción, gracias
a esto se seleccionan los dispositivos electrónicos más acordes para las tareas a
realizar.
Se definen dos bloques principales para el correcto funcionamiento del proyecto: el
bloque de control encargado del sensado y control de temperatura, y el bloque de
comunicaciones encargado de los temporizadores para la cocción de las referencias
de pan, la actualización de la base de datos, la comunicación con el cliente y la HMI.
Como parte fundamental de procesamiento, el bloque de control utiliza un Arduino.
Para el sensado de temperatura se utiliza una termocupla tipo K junto con un
amplificador de instrumentación MAX31855 el cual tiene compensación de unión en
frio. Se proponen 2 tipos de control: control On/Off y control difuso, los autores
hacen una recomendación detalla a los administradores de la panadería la cual
permita la decisión de que control implementar, teniendo en cuenta que cada control
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utiliza elementos electrónicos diferentes lo cual se refleja en el gasto monetario que
tendrá que asumir la panadería.
El bloque de comunicaciones utiliza como parte fundamental de procesamiento un
Raspberry Pi B+. Utiliza como plataforma de desarrollo “Python”, se comunica con
el Arduino de manera serial, le indica cuándo debe iniciar y terminar el proceso de
control. Se diseñó una HMI simple para la comunicación con el usuario del horno
(panadero) y se comunica con el cliente mediante correo electrónico.
Como resultado se obtuvo un sistema de control capaz de supervisar, controlar y
comunicar un horno de panadería utilizando las TIC, la teoría de control,
programación y diseño de circuitos que se aprendió en esta carrera universitaria.
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1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
La panadería “Estrella del pan” ubicada en la Carrera. 46 # 45 – 92 Barrio Mariano Ramos, cuenta con un horno rotatorio que trabaja a gas para la parte de la cocción y con electricidad para hacer girar las latas donde se ubica el pan, también para alimentar una electroválvula de gas, la cual permite posibilita el control de temperatura que debe hacerse a 145 º C.
La panadería cuenta con un panadero, un pastelero y cuatro vendedores. La panadería tiene diferentes referencias de productos, los que más de venden son el pan mantequilla de $300 y $500, mientras que, la menos vendida corresponde al pan aliñado de $200. En general, las ventas y utilidades entre cada referencia son similares.
El horno cuenta con un control ON/OFF, sin uso, y tiene espacio para almacenar hasta 12 latas pequeñas de pan. Actualmente no cuenta con un sistema de control adecuado para el horneado de sus productos. El proceso es manual y depende de la experiencia del panadero. Esto se ve reflejado en el consumo de energía. Le corresponde al panadero determinar los tiempos exactos de cocción de cada referencia de pan. Si por alguna razón se ausenta, afecta directamente el proceso de la panadería.
Adicionalmente, la administración desea captar más clientes con un servicio adicional, que de la posibilidad de saber en qué momento del día se puede acceder al pan caliente a través del uso de las TIC (Tecnologías de la información y comunicación), dándole un valor agregado importante al negocio.
De acuerdo con lo anterior, se propone la siguiente pregunta de investigación:
¿Qué tipo de sistema embebido electrónico es posible desarrollar para lograr el control, supervisión y comunicación a los clientes de un horno, usado para la cocción de pan, de la panadería “Estrella del pan” ubicada en el barrio Mariano Ramos de la ciudad de Cali?
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2. JUSTIFICACIÓN
Según la Asociación Nacional de Panderos, cada panadería genera entre 4 y 6 empleos formales directos, lo que representa una cifra aproximada de 300.000 empleos directos y 800.000 indirectos (Adepan, 2012). El gremio explica que, siendo un generador importante de empleo, debieran generarse herramientas que les permitan fortalecerse y ser más competitivos.
Para lograr ser más competitivos y contar con un mejor servicio al cliente, la panadería “Estrella del Pan” busca una solución a través de una aplicación de tipo electrónico para la supervisión, comunicación y control del horno de su panadería. Esto les permitirá contar con un manejo más adecuado de la energía invertida en el proceso y evitar su dependencia de una sola persona para el control de horneado de cada una de las referencias de pan.
La opción de agregar un nuevo servicio para la comodidad de los clientes, informándoles acerca de la disponibilidad del pan caliente que desean consumir, cambiará la comercialización de un producto muy común en la canasta familiar. Así mismo, se demostrará el potencial que tiene las TIC en el fortalecimiento de unidades de negocio que se ubican en el sector de las microempresas.
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3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un sistema embebido electrónico que realice el control, la supervisión y comunicación a los clientes de un horno, usado para la cocción de pan, de la panadería “Estrella del pan” ubicada en el barrio Mariano Ramos de la ciudad de Cali.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Construir un estado del arte sobre los desarrollos de sistemas embebidos que implementen la teoría de control y la aplicación de las TIC en un horno de cocción.
Describir el proceso de horneado de cuatro referencias de pan teniendo en cuenta su coste de producción, tiempo de cocción y la ganancia generada.
Seleccionar el tipo de plataforma embebida más indicada para aplicaciones de control y comunicación.
Diseñar el control y supervisión más adecuado para el horno
Diseñar la comunicación de la panadería con el cliente en el momento que el producto está disponible para su consumo.
Construir el prototipo de sistema embebido electrónico que permitirá controlar, supervisar y comunicar el proceso de horneado de cuatro referencias de pan.
Evaluar el funcionamiento del sistema
Divulgar los resultados obtenidos del proceso.
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4. ESTADO DEL ARTE
El proyecto titulado “Controlling Physical Objects via the Internet using the Arduino
Platform over 802.15.4 Networks.” Es un proyecto donde se expanden las
capacidades de la plataforma Arduino UNO, añadiendo un módulo de Wireless a fin
de exponer su funcionalidad en una red de nodos (WSN), que en inglés es “Wireless
Sensor Network”. Es una red que consiste en dispositivos que proporcionan
detección de características; temperatura, sonido, vibración, presión, entre otras.
Sin embargo, como el Arduino no posee conectividad inalámbrica esto hace que
sea imposible que sea usado en una red de nodos inalámbrica, se expanden sus
características al ser conectado a un módulo complementario llamado “Xbee”. Este
módulo Xbee es conectado al Arduino usando el puerto serial, agregando
capacidades inalámbricas mediante el envío de los datos a la red, y recibiendo datos
de la red al Arduino respectivamente. Por defecto, cualquier dato recibido por el
Arduino es transmitido, lo cual es un problema cuando se trabaja con WSN. Por lo
tanto, se usa el Xbee en modo API, lo cual permite que sea utilizado de manera
avanzada, habilitando la transmisión de mensajes únicos. Además Se diseñó una
red inalámbrica de sensores heterogénea, la cual consiste en cuatro diferentes
plataformas de hardware (Arduino, SunSPOT, TelosB, iSense). Esta red combina
las características de cada una: Arduino con el módulo Xbee para el control de
circuitos eléctricos, SunSPOT debido a su poder computacional, e iSense y TelosB
por el consumo de poder limitado. (Georgitzikis, 2012)
Por otra parte, en el proyecto titulado “An Arduino-based Indoor Positioning System
(IPS) using Visible Light Communication and Ultrasound” se construyó y testeó de
manera exitosa un prototipo móvil de detección de posición exterior e interior. El
receptor consta de un módulo GPS, un Shield (escudo) GSM, un receptor de datos
de luz visible, y dos sensores ultrasónicos, todos controlados por un Arduino Mega
y un Arduino Uno. Cada sensor ultrasónico detecta la distancia en los ejes “X” y “Y”
respectivamente. El sistema transmisor consiste en 4 escudos LED conectados a
un Arduino Uno, el cual es programado para transmitir la posición global relevante
a la posición interior de la lámpara LED. Cuando una persona se encuentra en el
exterior, el modulo GPS recibe la posición global del satélite. Cuando la persona se
encuentra en el interior, su posición global va a ser dada por los Leds y los sensores
ultrasónicos. Los datos de localización pueden ser transmitidos vía GSM a un
sistema de monitoreo o a un Smartphone individual. Este Sistema es
extremadamente útil en el cuidado de personas de la tercera edad. (Lih Chieh, 2014)
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El siguiente proyecto está destinado a la población India en el cual el tema a tratar
es el medio de transporte público. El sistema propuesto llamado “Smart public buses
information system” (SPBIS) consiste en un transmisor de bus de segmentos (BTS)
y un servicio de conmutación de medio ambiente (CSE). El BTS transmite las
coordenadas como la longitud, latitud y la velocidad actual del bus al BTCE. El
modulo GPS en el BTS recibe estas coordenadas del satélite. EL BTCE procesa
estas coordenadas para determinar cuánto se demora el bus en alcanzar el terminal
y actualizar el sistema. En adición este muestra la información a los pasajeros
esperando en la terminal. El BTCE consiste en un módulo GSM el cual recibe las
coordenadas de posición del bus y las entrega a la tarjeta Arduino. El micro
controlador Arduino procesa y calcula la posición exacta del bus que se dirige al
terminal y el tiempo que le tomará llegar. El sistema propuesto puede rastrear la
localización de los buses así como su tiempo de llegada y tiempo de espera de un
bus en particular en la terminal. La implementación y testeo de esta aplicación esta
restricta al BTS en donde las coordenadas son transmitidas vía GSM a un teléfono
móvil. (Rajesh Kannan Megalingam, 2014)
Otro trabajo interesante, consiste en el diseño de un “control automático de
temperatura para un horno industrial ahumador de carne” basado en un controlador
BTC-21, este es un dispositivo al que le llega la temperatura a través de una
termocupla tipo J y esta comunicado con una pantalla HMI, donde se observa el
desarrollo del proceso y el usuario escoge el tipo de receta a utilizar. De este
proyecto se puede destacar el controlador BTC-C21 en conjunto con la pantalla táctil
HMI BrainChild forman un equipo robusto suficiente para el control y monitoreo de
cualquier proceso. Con la pantalla HMI se facilita el manejo y operación del
controlador al proporcionar la ventaja de poder desplegar al usuario todas las
características que este presenta. (Ruales Rios & Ortiz, 2008)
El siguiente trabajo titulado “Sistema de monitoreo de temperatura para un horno de
gas” consiste en el monitoreo de la temperatura de un horno durante el proceso de
quema de la cerámica; utilizaron una arquitectura tipo maestro esclavo, donde el
esclavo de igual manera es capaz de asumir el control del monitoreo por si el
maestro presente alguna falla. El maestro que definieron fue una computadora
personal la cual le da órdenes a un micro controlador por medio de LabView.
Escogieron una termopar tipo K la cual conectaron al micro controlador (esclavo)
que también tiene integrado una pantalla alfanumérica y un teclado numérico en
caso de que se quiera desplegar la información y capturar datos desde el esclavo.
(Arias Martinez, 2006)
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El proyecto titulado “Development of Fire Alarm System using Raspberry Pi and
Arduino Uno” es un sistema de monitoreo en tiempo real que detecta la presencia
de humo en el aire y captura imágenes con una cámara instalada dentro de la
habitación si ocurre un incendio. Los sistemas embebidos usados para la realización
de esta alarma contra incendios son el Raspberry Pi y el Arduino Uno. La
característica clave de este sistema es la habilidad de enviar una alerta cuando un
incendio es detectado. Cuando la presencia de humo es detectado, el sistema
mostrara una imagen del estado de la habitación en una página Web. El sistema
requerirá de la confirmación del usuario para reportar el evento a los bomberos
usando “Short Message Service” o servicio de mensaje corto (SMS). La Figura 1
muestra la arquitectura del sistema. Esta estructura de alarma contra incendios está
compuesta por cinco elementos, los cuales son el ordenador de placa reducida
Raspberry Pi modelo B, Arduino Uno, Arduino Gsm Shield, sensor de gas QM-NG1
y una cámara USB. (Saifudaullah Bin Bahrudin, 2013)
Figura 1. Diagrama de bloques de la alarma contra incendios. (Saifudaullah Bin Bahrudin, pág. 17)
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5. MARCO TEÓRICO
5.1 HORNOS
Un horno es un sistema utilizado en la cocina para calentar o cocer alimentos,
mediante una generación de calor manteniéndola dentro de un compartimento
cerrado. La energía que se puede utilizar para alimentar un horno se puede generar
por medio de gas, leña, luz solar y por electricidad (horno eléctrico) así
clasificándolos en diferentes tipos de hornos (Ruales Rios & Ortiz, pág. 16).
5.1.1 Tipos de hornos.
Horno de leña. Este tipo de horno en la actualidad representa un gran riesgo
ecológico debido a que funciona con materiales forestales.
Horno de gas. Son tal vez la mejor opción entre los tipos de hornos
existentes ya que tienen una cocción similar a los de leña, pero estos no
representan un alto riesgo ecológico ya que no expulsan gases de
combustión no controlada.
Horno eléctrico. La cocción de este horno no es muy óptima y su consumo
de electricidad es demasiado alto, aunque los hornos eléctricos son
totalmente automatizados.
Horno atmosférico. Este horno cocina uniformemente los productos en su
interior y todo esto es gracias a la arquitectura que posee ya que facilita el
flujo de aire caliente.
Horno de microondas. El funcionamiento de este horno depende de la
generación de ondas electromagnéticas, las cuales interactúan con las
moléculas de agua, gracias a la interacción se eleva la temperatura (Ruales
Rios & Ortiz, pág. 16).
La panadería la Estrella del pan, maneja un horno rotatorio de la empresa
Mecanomega. Este horno es híbrido, trabaja a gas para la parte de cocción y utiliza
electricidad para hacer girar las latas donde se ubica el pan y alimentar la
electroválvula de gas (Honeywell VR8304M3194), la cual permite el control de
temperatura que debe hacerse a 145° C.
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El horno tiene un quemador “Wayne Pmx 130” el cual se encarga de la combustión,
realizada por medio de una mezcla de gas y aire utilizando un piloto intermitente y
controlando la electroválvula que permite el paso de gas. Este horno cuenta con un
espacio para almacenar 12 latas pequeñas de pan, donde cada lata puede acoplar
una cierta cantidad de panes dependiendo del tamaño (Valor) del pan (4 panes de
$2000, 9 panes de $500).
Se visitaron 5 panaderías más, con esto se pudo observar y tener una idea general
del tipo de horno que más se utiliza, la tendencia en cada una de estas panaderías
es un horno rotatorio de la empresa Mecanomega, tiene un funcionamiento muy
parecido al del a estrella del pan ya que maneja los mismos principios de
funcionamiento.
5.2 SENSORES DE TEMPERATURA
En el mercado se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura, a
pesar de que en este trabajo no se mencionaran todos los existentes, pero si se
expondrán unos cuantos, muy utilizados a nivel industrial.
Tabla 1. Rangos de temperatura correspondientes a los métodos más comunes de
medición (Jesús Bausà Aragonés, 2013)
SISTEMA RANGO EN °C
Termocuplas -200 a 2800
Termo resistencias -250 a 850
Termistores -195 a 450
Pirómetros de radiación -40 a 4000
En la Tabla 1 se puede observar los sensores de tipo eléctrico que más extensión
tienen hoy día en la medición de temperatura. Cada uno tiene ciertas ventajas y
desventajas lo que los hace más convenientes para un determinado proceso.
20
5.2.1 Termocuplas. Las Termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos
más utilizados en la industria. Una termocupla (Figura 2) es un transductor de
temperatura, constituido por dos conductores (alambres), que desarrollan una
Fuerza electromotriz (f.e.m.) que es función de la diferencia de temperatura entre
sus uniones, una caliente ubicada en el lugar a medir temperatura, y una fría tomada
como referencia. (Jesús Bausà Aragonés, pág. 19)
Figura 2. Esquema de una termocupla cualquiera. (Jesús Bausà Aragonés, pág. 19)
Estos dispositivos suelen ir encapsulados en vainas, para protegerlos de las
condiciones extremas, dependiendo del proceso industrial que tratan de ayudar a
controlar, por ejemplo suele utilizarse acero inoxidable para la vaina.
Hay siete tipos de termocuplas que tiene designaciones con letras elaboradas por
el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of Standards (NBS),
por su parte, ha preparado tablas de correlación temperatura fem para estas
termocuplas, las que ha sido publicadas por el American National Standards
Institute (ANSI) y el American Society for Testing and Materials (ASTM) (Jesús
Bausà Aragonés, pág. 19).
21
Tabla 2. Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (fem) correspondientes a distintas termocuplas. (Jesús Bausà Aragonés, pág. 19)
Tipo Denominación Composición
y símbolo
Rango de
temperaturas
(1)
Diámetro
del alambre
apropiado
(2)
F.e.m.en mV (3)
B Platino-rodio 30% vs
platino-rodio 6%
PtRh 30% -
PtRh 6%
0 …
1.500(1.800)
0,35 y 0,5
mm
0 …
10,094(13,585)
R Platino-rodio 13% vs
Platino
PtRh 13% Pt 0 …
1.400(1.700)
0,35 y 0.5
mm
0.16,035(20,215)
S Platino-rodio 10% vs
platino
PtRh 10% Pt 0 …
1300(1600)
0,35 y 0.5
mm
0 …
13,155(15,576)
J Hierro vs constatan Fe- CuNi -200 … 700
(900)
-200 … 600
(800)
3 mm 1 mm -7.89 … 39,130
(51,875)
-7.89 … 33,096
(45,498)
K Níquel-cromo vs
níquel (chromel vs
alumel)
NiCr-Ni 0 … 1000
(1300)
0 …900
(1200)
3 o 2 mm
1,38 mm
0 … 41,269
(52,398)
0 …
37,325(48,828)
T Cobre vs constatan Cu-Cuni -200 …
700(900)
0,5 mm -5,60 … 14,86
(20,86)
E Níquel-cromo vs
constatan (chromel
vs constatan)
NiCr-Cuni -200 … 600
(800)
3 mm -9,83 … 53,11
(68,78)
-8,83 …
45,08(61,02)
En la Tabla 2 los valores entre paréntesis son los admitidos en intervalos cortos
(no permanentes) (2) los diámetros de alambres no son indicativos (3) valores de
fem (mV) en función de °C, referencia junta fría 0°C
22
5.2.2 Termistor. Los termistores sirven para la medición o detección de
temperatura tanto de gases como en líquido y en sólidos. A causa de su pequeño
tamaño es que se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos
especiales, los que pueden ser especialmente diseñados y protegidos
adecuadamente cualquiera sea el medio donde tenga que trabajar. Se los puede
adosar fácilmente o montar con tornillos, ir enroscados superficialmente o
cementados, Y Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio o de
otros materiales
Los termistores se dividen en dos grupos atendiendo al signo del coeficiente de
temperatura de la resistencia (David Márquez, 2008):
NTC : Coeficiente de temperatura negativo
PTC: Coeficiente de temperatura positivo
5.2.2.1 Termistor NTC: Los termistores NTC son resistencias de material
semiconductor cuya resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. Están
construidas con una mezcla de óxidos metálicos. Generalmente se utilizan
combinaciones de: Ni-Mn-O, Ni-Cu-Mn-O y Ti-Fe-O.
Básicamente, el incremento de temperatura aporta la energía necesaria para que
se incremente el número de portadores capaces de moverse, lo que lleva a un
incremento en la conductividad del material (David Márquez, pág. 22).
5.2.2.2 Termistor PTC: Los termistores PTC son termistores con coeficiente
de temperatura positivo. Presentan la propiedad de experimentar un cambio brusco
en su valor resistivo cuándo la temperatura supera un valor crítico característico del
material. Están fabricados con materiales cerámicos poli cristalinos dopados con
impurezas. Se utilizan fundamentalmente compuesto de bario, plomo y titanio con
aditivos tales como manganeso y tántalo. Su forma más común es un disco con las
superficies metalizadas (David Márquez, pág. 22).
5.2.3 TermoResistencias (RTD). Los detectores de temperatura basados en la
variación de una resistencia eléctrica se suelen designar con sus siglas inglesas
RTD (Resistance Temperature Detector). Dado que el material empleado con mayor
frecuencia para esta finalidad es el platino, se habla a veces de PRT (Platinum
Resistance Thermometer).
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Un termómetro de resistencia es un instrumento utilizado para medir las
temperaturas aprovechando la dependencia de la resistencia eléctrica de metales,
aleaciones y semiconductores (termistores) con la temperatura; tal así que se puede
utilizar esta propiedad para establecer el carácter del material como conductor,
aislante o semiconductor (Jose Ruiz Gonzalez, 2015).
Los materiales usados normalmente en las sondas son:
Platino
Níquel
Cobre
Tungsteno
Cada uno tiene características especiales los cuales se pueden ver en la Tabla 3.
Tabla 3. Características de sondas de resistencia (Jose Ruiz Gonzalez, pág. 23).
Metal Resistividad
microhmios.
cm
Coeficiente
temperatura
ΩΩC
Intervalo útil
de
temperatura
Ω
Coste
relativo
Resistencia
sonda a
0°C ohmios
Precisión
C°
Platino 9.83 0.00392 -200 a 950 Alto 25.100.130 0.01
Níquel 6.38 0.0063 a
0.0066
-150 a 300 Medio 100 0.50
Cobre 1.56 0.00425 -200 a 120 Bajo 10 0.10
Las termo resistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados
por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta
luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con
un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad. El
aspecto exterior de las termo resistencias industriales es prácticamente idéntico al
de las termocuplas (Jesús Bausà Aragonés, pág. 19).
24
5.2.4 Pirómetro de radiación. El pirómetro es un instrumento para medir
temperaturas muy elevadas. Se basa en el calor o la radiación visible emitida por
objetos calientes, y mide el calor de la radiación mediante un par térmico o la
luminosidad de la radiación visible. El pirómetro es el único termómetro que puede
medir temperaturas superiores a 1477 °C.
El sistema óptico del termómetro de radiación recolecta parte de la radiación
proveniente de una muestra de la superficie y la dirige al detector. El cual la
convierte en una señal eléctrica. El circuito electrónico convierte la señal eléctrica a
una correspondiente a la temperatura de la superficie (Rivero, 2014).
Figura 3. Imagen de la operación del pirómetro de radiación (Rivero, pág. 24).
El pirómetro de radiación se puede recomendar en los siguientes casos:
Donde un par termoeléctrico seria envenenada por la atmosfera del horno
Para la medida de temperaturas de superficies
Para medir temperaturas de objetos que se muevan
Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los termopares
Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de
temperatura
Donde las condiciones mecánicas acorten la vida de un par termoeléctrico
caliente.
25
5.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA
Se destacan ciertas características, ventajas y desventajas las cuales fueron vitales
para la selección del sensor de temperatura a utilizar como:
Tabla 4. Ventajas y desventajas de los sensores de temperatura.
Sensor Termocupla Termistor RTD Pirómetro de
radiación
Ventajas -Simple
-Rudo (puede ser
utilizado en
aplicaciones de
alta vibración y
golpes
-Económico
-Amplia variedad
de formas físicas
-Amplio alcance
de temperatura
-Buena
intercambiabilidad
-Tiempo de
respuesta
rápida
-Medición a 2
hilos
-Cambios
grandes de
resistencia vs.
Temperatura
-Alta resistencia
elimina la
necesidad de
medición a 4
hilos
-Pequeños
-Baratos
-Buena
estabilidad
-Amplio alcance
de operación
-Muy estable
-Excelente
intercambiabilidad
-Mejor linealidad
que la termocupla
-Buena exactitud
-No necesita
contacto directo
con el cuerpo
-Su
funcionamiento
no es
complicado
-Gran velocidad
de respuesta
-Se puede
utilizar cuando el
área para la
medición está en
movimiento
Desventajas -No lineal
-Baja tensión
-Requiere
compensación por
unión de
referencia
-Baja sensibilidad
-No lineal
-Requiere
fuente de
corriente
-Alcance de
temperatura
limitado
-Frágil
-Caro
Sensible a
vibraciones y
golpes
-Tiempo de
respuesta
relativamente
lento
-Tiene obstáculo
físico cuando
existe la
presencia de
humo, polvo y
vapor
-Caro
-Requiere
conocimientos
previos
26
5.4 CONTROLES DE TEMPERATURA
Los tipos básicos de control de temperatura más utilizados en la industria son:
ON/OFF, control proporcional, PID y el control de lógica difusa (Fuzzy logic), a
continuación se describirá brevemente cada uno de ellos.
5.4.1 Control ON/OFF. El control ON/OFF es la forma más simple para realizar el
control de temperatura, donde la salida del dispositivo a controlar no tiene un estado
medio, como lo dice su nombre, está prendida (ON) o apagada (OFF). En un sistema
de control de temperatura la entrada se apaga en el momento que la temperatura
alcanza el punto de ajuste y se prende cuando está por debajo del mismo, debido a
esto este tipo de control tiene una oscilación constante. Se caracteriza por una
continua variación de la variable a controlar. Si el proceso tiene un tiempo de retardo
mínimo y una reacción lenta este control funcionara satisfactoriamente. (Peña,
2009)
Figura 4. Comportamiento del control ON/OFF (Peña, pág. 26)
27
5.4.2 Control Proporcional. En el control proporcional existe una relación lineal
continua entre la posición del elemento final de control y la variable controlada. Los
parámetros que se fijan en un control proporcional son:
La temperatura deseada SP
La banda proporcional Pb
El tiempo de ciclo tc
La banda proporcional se programa en el controlador como un porcentaje de la
señal de referencia, que corresponde a una temperatura situada por debajo del SP
a lo largo de esta la potencia de la salida variara proporcionalmente al error.
Figura 5. Comportamiento del control proporcional. (Peña, pág. 26)
El controlador realiza un cálculo de porcentaje de salida “out”:
𝑂𝑢𝑡 = 𝐾𝑝 ∗ 𝐸 Ecuación #1
𝐾𝑝 = 100%/(𝑃𝑏 ∗𝑆𝑃
100%) Ecuación #2
Donde Kp es una constante que se conoce como ganancia proporcional del control.
El mayor error que presenta el control proporcional es que la temperatura jamás se
estabilizará justo en el valor de referencia. El error estacionario se produce debido
a que la temperatura se estaciona en un punto dentro de la banda proporcional.
5.4.3 Control PID. El control PID es un controlador proporcional con acción
derivativa y acción integral simultáneamente superpuestas. En la Figura 6 se
puede observar un diagrama de bloques de un controlador PID.
28
Figura 6. Controlador de datos continuos PID (Kuo, 1999)
+
+
+
Kp
Kd
Ki
e(t)out
𝑂𝑢𝑡 = 𝑃 + 𝐼 + 𝐷 Ecuacion #3
𝑂𝑢𝑡 = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑑 + 𝐾𝑖 Ecuacion #4
Este controlador proporciona el control más preciso y estable de los tres tipos de
control nombrados aquí, lo utilizan comúnmente en sistemas que tienen una
reacción rápida a los cambios de energía presentados en el proceso. Es muy
recomendado utilizarlo en sistemas donde la carga cambia comúnmente. (Peña,
pág. 26)
5.4.4 Control de lógica difusa “Fuzzy”. Los sistemas de control de lógica difusa
se utilizan generalmente por su simplicidad, debido a que no requieren operaciones
complejas, cambiando con facilidad el diseño. El concepto de lógica difusa fue
concebido a mediados de los sesentas por Lofti Zadeh, el cual publica el primer
artículo de lógica difusa en 1965. Más tarde, en 1974 Ebrahim Mandani aplica los
conceptos de lógica difusa y desarrolla el primer control difuso para la regulación de
un motor de vapor y en 1985 Takagi y Sugeno aportan un nuevo método llamado
Takagi-Sugeno-Kang (TSK), como alternativa del método Mandami (D. Guzmán,
2006). La representación de los controladores difusos simples por lo general es
como se puede observar en la Figura 7.
29
Figura 7. Controlador difuso simple (Escamilla, 2012)
Cada una de sus partes interactúan: la interfaz de fuzzyficación es la que convierte
la entrada R y la señal del sensor en conjuntos difusos, al bloque motor de inferencia
se le entregan las entradas fuzzyficadas, apoyado por el módulo de conocimiento
que almacena en la base de reglas un conjunto de la forma SI…….. Entonces…….;
el bloque de interfaz de defuzzyficacion toma estos conjuntos y los convierte en
salidas no difusas aptas para la planta (Escamilla, pág. 29).
Existen diversas técnicas de defuzzyficacion, entre ellas:
Promedio de máximos: consiste en calcular el promedio de todas las
variables que tienen el mayor valor de grado de membrecía.
Método de centroide: consisten en calcular el promedio ponderado de la
salida.
Se puede apreciar que el correcto funcionamiento del sistema dependerá
ampliamente del conocimiento de la dinámica del proceso y dicho conocimiento
surge de la experiencia del operador humano. (D. Guzmán, pág. 28)
30
5.5 TARJETAS DE DESARROLLO
Una tarjeta de desarrollo es un circuito impreso que contiene un microprocesador y
la lógica de apoyo mínima para que a un ingeniero le sea fácil familiarizarse con ella
y aprender a programarlo, También sirve a usuarios como un método para crear
prototipos de aplicaciones. Usualmente una tarjeta de desarrollo contiene muy poco
o nada de hardware dedicado a la interfaz con el usuario
Las tarjetas de desarrollo han tenido un auge y un crecimiento exponencial en los
últimos años. El éxito de algunas de estas ha dado lugar a que numerosas copias y
tarjetas compatibles lleguen al mercado. El sitio de crowdfunding “Kickstarter” está
llena de ellas, algunas de ellas muy exitosas, otras no tanto.
A continuación se muestran algunas tarjetas de desarrollo que se han tenido en
cuenta para la implementación de este proyecto.
5.5.1 Arduino. Es una plataforma electrónica de hardware libre basada en una
placa con un micro controlador. Con software y hardware flexibles y fáciles de
utilizar, Arduino ha sido diseñado para adaptarse a las necesidades de todo de tipo
de público, desde aficionados, hasta expertos en robótica o equipos electrónicos.
También consta de un simple pero completo, entorno de desarrollo, que nos permite
interactuar con la plataforma de manera muy sencilla. Se puede definir por tanto
como una sencilla herramienta de contribución a la creación de prototipos, entornos,
u objetos interactivos destinados a proyectos multidisciplinares y multi tecnología
(Arduino, 2014). En la Figura 8 se puede ver una de sus placas más vendidas, la
Arduino UNO.
Figura 8. Fotografía de la placa Arduino Uno (Arduino, pág. 30).
31
Existen diversas placas de Arduinos con diferentes cualidades, así como ventajas y desventajas. Algunas de estas placas son:
Arduino Leonardo
Arduino Due
Arduino Yun
Arduino Tre
Arduino Zero
Arduino Micro
Arduino Esplora
Arduino Mega ADK
Arduino Ethernet
Entre otras
Estos también cuentan con accesorios como:
TFT LCD screen
USB/Serial Light Adapter
Arduino ISP
Mini USB/Seria Adapter
Entre otros
Y algunos Shields como:
Arduino GSM Shield
Arduino Ethernet Shield
Arduino Wifi Shield
Arduino USB Host Shield
Arduino Wireless proto Shield
Entre otros
5.5.2 Raspberry Pi. Raspberry Pi es una placa computadora (SBC) de bajo costo
desarrollada en Reino Unido por la Fundación “Raspberry Pi”, con el objetivo de
estimular la enseñanza de ciencias de la computación en las escuelas. (Raspberry,
2015)
El modelo B+ (Figura 9) es una actualización del modelo B, cuenta con un
“button5” es el encargado de ingresar los correos a la base de datos, pertenece a
“Ventana”, tiene un texto en el centro que dice “Ingresar”, usa una fuente “Agency
FB” de tamaño 14,está ubicado en la posición X=0 y Y=200, y realizará la función
“Ingresar” cada vez que se presione.
def Ingresar():
Valor=[entradaU.get()]
text_file = open("newfile.txt","a")
text_file.writelines(Valor)
text_file.writelines("\n")
65
text_file.close()
LimpiarTxt()
Esta función tomará los datos (correos) almacenados en la variable “entradau” y los
guardará en una cadena, luego abrirá un documento de texto (base datos) y anexará
estos datos (correos) uno debajo del otro.
Después de crear los botones de la base de datos se crea un display numérico y
visual (imagen) de la temperatura actual del horno. Como estos datos provienen del
sensado de temperatura que realiza la tarjeta de desarrollo Arduino entonces se
debe habilitar el puerto serial para recibir la información.
#ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0',9600)
ser = serial.Serial('COM3', 9600)
Si se está trabajando en un sistema operativo basado en Linux se utiliza la primera
línea de código y se tiene en cuenta el nombre del dispositivo “ACMO” y su velocidad
de transmisión. Si se está trabajando en un sistema operativo basado en Windows
se utiliza la segunda línea de código y se tienen en cuenta las mismas
especificaciones. Cabe resaltar que los nombres de los dispositivos y puertos en
Windows son diferentes a los nombres de los dispositivos y puertos en Linux.
def updatelabel():
LecturaTemperatura= ser.readline()
Lec=LecturaTemperatura.decode('utf-8')
if (Lec != "\r\n"):
entradota.set(Lec)
BarraProgreso = ttk.Progressbar(Ventana,
orient = VERTICAL, length = 253,
mode = 'determinate', maximum = 200.0,
value = Lec).place(x=243,y=273)
Ventana.after(5000, updatelabel)
66
Esta función se actualizará cada tiempo determinado. Lo que hará será leer el
puerto serial y si encuentra que hay una trama de datos la decodificará y la mostrará
en pantalla en un campo de texto, como solo se esperan recibir datos del Arduino
se puede estar seguro que todos los datos que reciba son los datos de la
temperatura actual.
Esta es una explicación corta de la creación de la HMI con todos los componentes
que se exigieron en la Figura 27. En la Figura 30 se puede observar el producto
final.
Figura 30. HMI final
Es una HMI sencilla y fácil de entender que cumple con los requisitos propuestos al
comienzo del capítulo.
67
9. ESTADO DE RESULTADOS
Se definieron una serie de pasos a tener en cuenta para la realización de las
pruebas de cada uno de los componentes del sistema:
Prueba 1: Correcto funcionamiento de la termocupla.
Prueba 2: Correcto funcionamiento del bloque de control (On/Off).
Prueba 3: Correcto funcionamiento del bloque de comunicaciones.
Prueba 4: Correcto funcionamiento del bloque de control junto con el bloque
de comunicaciones.
Prueba 5: Simulación del control difuso.
Prueba 6: Correcto funcionamiento del control difuso.
Prueba 7: Respuesta del control difuso frente a un disturbio.
Prueba 8: Simulación del control difuso con datos reales del horno de cocción
de pan.
Prueba9: Correcto funcionamiento del control On/Off en el horno de cocción.
9.1 PRUEBA 1: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DE LA TERMOCUPLA
Para esta prueba se utilizaron 2 termocuplas tipo J (A y B) del laboratorio de
ingeniería electrónica de la universidad. Se varió la temperatura y se tomaron los
datos para comparar su precisión. En la Figura 31 se puede observar el diseño
utilizado para tomar los datos provenientes de la termocupla tipo K.
Figura 31. Diagrama de prueba para la lectura de la termocupla tipo K (Fuente propia).
68
Tabla 11. Tabla de prueba de la termocupla tipo K (Fuente propia).
Tiempo /seg
Temperatura °C
Termocupla tipo K
Termocupla A
Termocupla B
20 23.94 26 24
40 24.03 26 25
60 23.50 26 27
80 23.64 26 28
100 24.07 26 29
120 24.25 32 30
140 24.51 32 31
160 25.86 32 31
180 25.42 33 31
200 26.61 33 31
220 25.94 33 32
240 27.00 34 32
260 30.12 34 32
280 29.41 35 33
300 28.00 35 33
320 28.23 35 33
340 28.65 35 33
360 28.77 36 33
380 30.43 36 34
400 31.57 36 34
420 31.67 36 34
440 31.29 37 35
460 31.33 37 35
480 32.08 37 35
500 33.43 37 35
520 32.74 38 36
540 34.01 38 36
560 34.35 38 36
580 34.47 38 36
600 34.84 38 36
620 35.05 39 36
640 35.15 39 37
660 35.70 39 37
680 35.93 40 37
700 36.08 40 37
69
720 36.24 40 37
740 36.99 40 37
760 37.47 40 38
780 38.06 41 38
800 38.79 41 38
820 39.15 41 38
840 39.00 41 38
860 39.00 41 38
880 39.36 41 39
900 40.00 41 39
920 39.85 42 39
940 40.34 42 39
960 40.45 42 39
980 40.17 42 40
1000 40.70 42 40
1020 41.15 42 40
De la Tabla 11 se puede concluir que la lectura de temperatura de la termocupla
tipo K es correcto, se presentan alguna diferencia de lectura en las termocuplas
debido al porcentaje de error, el cual en grados es ± 1 grado para termocuplas tipo
K. Se debe tener en cuenta que la termocupla seleccionada presenta compensación
de unión en frio por lo tanto el error es mínimo.
9.2 PRUEBA 2: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL BLOQUE DE
CONTROL (ON/OFF)
Para esta prueba se utilizó una caja de madera que tiene por dentro una resistencia
de 8Ω a la cual se le aplico la señal de control.
70
Figura 32. Diagrama de prueba del control On/Off (Fuente propia).
El diagrama de la Figura 32 utiliza la tarjeta Arduino Uno, 1 resistencia de 17.2kΩ
(R1), 1 transistor 2n2222 (Q1), 1 rele de 5v (Rl1) y 1 resistencia de 15Ω (R2) la cual
se encargará de calentar la incubadora.
La resistencia en base (R1) se obtiene hallando la corriente que circula por el relé y
el colector del transistor, se divide por Beta (para este ejemplo 80) esto nos estrega
la corriente por base, Luego se hace una malla y se halla la resistencia en base.
𝐼𝐵 = 20𝑚𝐴 Ecuación #5
𝐼𝑐 =20𝑚𝐴
80= 0.25𝑚𝐴 Ecuación #6
𝑅𝑏 =5𝑣−0.7𝑣
0.25𝑚𝐴= 17,2𝑘Ω Ecuación #7
Se decidió controlar la temperatura en 40°C por 15 minutos y la Tabla 12 muestra
los resultados.
71
Tabla 12. Muestreo de datos del control On/Off (Fuente propia).
Muestreo de datos del control On/Off
24,87 43,7 43,13 42,45 41,93 43,81 40,81 44,1
23,95 44,02 42,94 42,77 41,51 44,02 40,86 44,18
23,88 44,56 42,84 43,47 40,7 43,93 40,71 44,04
24,08 45,04 42,58 43,88 41,31 43,84 40,54 44,15
24,2 45,27 42,26 43,88 41,22 43,84 40,57 43,92
24,78 45,21 42,31 44,06 40,87 43,93 40,25 43,75
25,17 45,19 42,21 43,98 40,58 44,06 40,02 43,61
25,52 45,44 41,61 43,94 40,53 43,94 39,75 43,5
26,44 45,29 41,49 43,99 40,65 44,03 39,18 43,06
28,08 45,2 41,81 44,06 40,62 43,71 39,16 42,99
29,29 45,14 41,67 44,12 40,15 43,63 38,99 42,84
28,57 45,27 41,5 44,01 39,84 43,33 39,22 42,71
28,72 45,47 40,95 43,94 39,3 42,79 39,3 42,65
29,94 45,41 41,03 43,9 39,15 42,77 39,31 42,47
31,39 45,49 41,17 43,71 39,1 42,63 39,74 41,87
31,58 45,33 41,04 43,9 39,15 42,35 40,35 41,37
31,91 45,07 40,88 43,75 39,28 42,53 41,86 41,36
32,94 45,13 40,75 43,91 39,4 42,32 41,8 41,82
34,26 44,74 40,67 43,71 39,76 42,45 42,78 42,29
34,6 44,51 40,4 43,61 40,61 41,93 43,45 41,85
35,09 44,34 39,92 42,87 41,34 41,58 44,02 41,66
36,13 44,35 39,39 43,22 42,11 41,49 43,88 41,21
36,84 44,22 39,4 43,18 43,11 41,67 43,74 41,39
37,54 44,08 39,22 42,7 43,75 42,31 43,9
39,03 44,04 39,47 42,43 43,74 41,78 43,96
39,42 44,03 39,42 42,04 43,84 41,27 44,05
39,74 43,95 39,64 41,79 43,99 41,24 44,03
40,54 43,96 40,38 41,45 44,06 40,88 44,06
42,09 43,73 41,54 41,08 44,01 41,02 43,99
42,74 43,28 41,63 41,34 43,97 40,93 44,02
En la Tabla 12 se pueden observar los primeros 235 datos y además el cambio de
estado activo del bombillo cuando se encuentra por debajo del punto de referencia
(40°C) a estado inactivo cuando se encuentra por encima, en la Figura 33 se puede
observar la gráfica del sistema.
72
Figura 33. Gráfica del Muestreo de datos del control On/Off (Fuente propia).
En la Figura 33 se observa el muestreo del sistema de control On/Off donde el eje
X representa el tiempo y el eje Y la temperatura. Se puede concluir que el control
On/Off tiene una banda de histéresis de ±5°C, el sistema responde rápido a la señal
de control y se puede observar que existen compromisos en el desempeño de la
salida relacionados con el esfuerzo de control.
9.3 PRUEBA 3: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL BLOQUE DE
COMUNICACIONES
Esta prueba pretende corroborar el correcto funcionamiento del bloque de
comunicaciones: contador de tiempo de las referencias de pan, adicción de
personas a la base de datos y envío de correos. Consiste en agregar uno por uno
correos a la base de datos y comprobar que la tarjeta Raspberry al finalizar el tiempo
de cada referencia de pan se comunica con el usuario final.
73
Figura 34. Correos enviados correctamente (Google, 2015).
De esta prueba se puede concluir que la Raspberry adiciona y elimina datos
correctamente de la base de datos, además de enviar correos electrónicos
indicando la finalización del producto 5 minutos antes de que este ocurra. En la
Figura 34 se puede observar cómo se enviaron correos a 4 personas diferentes de
manera exitosa.
9.4 PRUEBA 4: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL BLOQUE DE
COMUNICACIONES JUNTO CON EL BLOQUE DE CONTROL
En pruebas anteriores se corroboró el correcto funcionamiento de cada uno de los
bloques del sistema (bloque de control y bloque de comunicaciones). Esta prueba
pretende unir los dos bloques en uno solo. La Figura 35 muestra el diagrama
completo del sistema.
74
Figura 35. Diseño del sistema completo para el controlador On/Off (Fuente propia).
De esta prueba se concluir que la comunicación entre la Raspberry y el Arduino es
correcta. La Raspberry le envía la orden al Arduino para que inicie el proceso de
control de acuerdo con el tiempo establecido de la referencia de pan y cuando este
se ha cumplido le envía la orden para que finalice.
9.5 PRUEBA 5: SIMULACION DEL CONTROL DIFUSO
Para esta prueba se tomaron datos de temperatura de la planta por 10 minutos,
estos datos se utilizaron para hallar la funcion de transferencia usando la
herramienta de MATLAB “ident”. Esta herramienta utiliza una variable de entrada
(Escalon) y una variable de salida (Temperatura), en la Figura 36 se puede observar
la ventana principal de esta herramienta.
75
Figura 36. Ventana principal de la herramienta Ident (MATLAB)
Luego de ingresar las variables de entrada y de salida la herramienta modela la
función de transferencia (Figura 37) y su respectiva gráfica (Figura 38).
Figura 37. Función de transferencia (MATLAB)
76
Figura 38. Gráfica de temperatura con respecto al tiempo.
Al obtener estos datos se prosigue con el modelamiento del sistema en la
herramienta de MATLAB “Simulink”, esta herramienta nos permite observar los
datos de salida con respecto a las entradas que se les atribuya, en la Figura 39 se
puede observar el sistema modelado.
Figura 39. Sistema modelado en Simulink (MATLAB).
Para esta prueba se utilizaron 2 tipos de entradas diferentes, una entrada de
escalón (Figura 40) y una entrada de número randomico uniforme (Figura 41).
77
Figura 40. Gráfica de salida para el sistema con entrada escalón. (MATLAB)
Figura 41. Gráfica de salida para el sistema con entrada de número randomico uniforme. (MATLAB)
En la Figura 40 y Figura 41 la línea morada representa la entrada y la línea amarilla
representa la salida del sistema, como se puede apreciar el control funciona de
manera correcta siguiendo la entrada que se le ha atribuido.
9.6 PRUEBA 6: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL CONTROL DIFUSO
Para esta prueba se utilizó una caja de madera que tiene por dentro una resistencia
de 15Ω a la cual se le aplico la señal de control.
78
Figura 42. Diagrama de prueba del control Fuzzy (Fuente propia).
Se utilizó un opto acoplador (4n35) que recibe la señal pwm proveniente del Arduino,
un transistor MOSFET (IRF730) que switchea la señal proveniente del opto
acoplador, 1 resistencia de 470Ω (R1), 1 resistencia de 10kΩ (R2) y una resistencia
de 15Ω la cual se encargara de calentar la incubadora.
Se decidió controlar la temperatura a 40°C por 15 minutos y la Tabla 13 muestra
los resultados.
79
Tabla 13. Muestreo de datos del control Fuzzy (Fuente propia).
Muestreo de datos del control Fuzzy
23,17 36,48 40,09 40,02 40,08 40,14 39,88 40,08
22,85 36,72 40,31 39,58 40,1 40,33 40,16 39,85
22,92 37,08 40,29 40,08 40,25 40,23 40,19 39,75
22,65 37,33 40,35 39,89 39,94 40,4 40,15 39,38
22,92 37,79 40,24 40,12 40,04 40,22 40,23 39,31
23,38 38,03 39,76 39,89 39,95 40,29 40,04 39,29
23,72 38,15 39,45 39,92 39,94 40 39,67 39,23
24,87 38,38 39,26 39,69 39,79 40,29 39,45 39,22
25,2 38,56 39,35 39,68 40,12 39,92 39,39 39,09
25,34 38,69 39,22 39,51 39,88 39,47 39,5 39,01
27,53 38,71 39,38 39,92 39,84 39,36 39,16 39,04
28,37 38,76 39,44 39,65 39,41 39,28 39,22 39,12
27,91 38,95 39,26 39,56 39,46 39,22 39,49 39,06
27,93 39,08 39,33 39,68 39,41 39,26 39,28 39,12
28,47 39,24 39,29 39,9 39,52 39,31 39,29 39,45
30,36 39,26 39,4 40,06 39,59 39,26 39,27 39,74
31,08 39,28 39,31 40,16 39,68 39,25 39,49 39,71
30,87 39,38 39,56 39,97 39,54 39,23 39,29 39,86
31,35 39,49 39,67 39,87 39,4 39,27 39,36 39,81
31,75 39,52 39,6 39,83 39,62 39,29 39,81 39,99
32,95 39,4 40,01 39,95 39,64 39,35 39,88 40,13
33,76 39,45 39,9 39,54 39,64 39,31 39,94 40,29
34,04 39,51 40,11 39,53 39,72 39,22 40,04 40,26
34,06 39,64 39,94 39,51 39,47 39,38 40
34,21 39,53 39,77 39,58 39,65 39,36 40,1
34,59 39,63 39,52 39,46 39,65 39,31 40,18
35,18 39,88 39,53 39,49 39,66 39,59 40,22
35,58 39,81 39,63 39,51 39,97 39,79 40,3
35,71 39,83 39,96 39,56 40,29 40,22 40,22
36,01 40,09 39,9 39,72 40,35 40,14 40,17
En la Tabla 13 se pueden observar los primeros 235 datos que muestran el cambio
de temperatura que se presenta dentro de la incubadora. En la Figura 43 se puede
observar la gráfica del sistema
80
Figura 43. Gráfica del muestreo de datos del control Fuzzy (Fuente propia).
De esta gráfica se puede concluir que el sistema controla correctamente en
condiciones ideales, sin disturbios y tiene una banda de histéresis de ±1.5°C.
9.7 PRUEBA 7: RESPUESTA DEL CONTROL DIFUSO FRENTE A UN
DISTURBIO.
Esta prueba busca someter al control difuso a condiciones reales y ver cómo
responde ante estas. Los disturbios que puede presentar un horno de cocción de
pan son la pérdida de temperatura cada vez que el usuario (panadero) abre la puerta
en medio del control, ya sea para ingresar o retirar otra referencia de pan.
Se definió un punto de referencia de temperatura a 35°C, tiempo de control de 30
minutos, tiempo de muestreo de 4 segundos y se agregó 1 disturbio cada 10
minutos.
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Figura 44. Respuesta del control difuso ante un disturbio (Fuente propia).
En la Figura 44 se pueden observar los datos obtenidos en la prueba número 7, el
eje Y representa las temperaturas, el eje X el tiempo en segundos y cada línea roja
representa un disturbio.
De esta gráfica se puede concluir que el sistema es confiable, alcanza el punto de
referencia cerca a los 200 segundos, luego de un disturbio de aproximadamente 2
o 3 grados el sistema se demora en alcanzar el punto de referencia cerca de 120
segundos, el sistema es adaptable al cambio de parámetros, tiene error de
sobrepasado de máximo 1.5°C.
9.8 PRUEBA 8: SIMULACIÓN DEL CONTROL DIFUSO CON DATOS
REALES DEL HORNO DE COCCIÓN.
Para esta prueba se utilizaron datos reales del horno de cocción de pan, estos datos
se utilizaron para hallar la funcion de transferencia usando la herramienta de
MATLAB “ident”. Esta herramienta utiliza una variable de entrada (Escalón) y una
variable de salida (Temperatura), en la Figura 45 se puede observar la funcion de
transferencia de la planta que nos entrega esta herramienta.
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Figura 45. Función de transferencia real del horno de cocción de pan (MATLAB).
Al obtener estos datos se prosigue con el modelamiento del sistema en la
herramienta de MATLAB “Simulink”, esta herramienta nos permite observar los
datos de salida con respecto a las entradas que se les atribuya, en la Figura 46 se
puede observar el sistema modelado.
Figura 46. Sistema modelado en Simulink (MATLAB).
Para esta prueba se utilizó una entrada de escalón y la respuesta del sistema se puede observar en la Figura 47.
Figura 47. Respuesta del sistema ante un escalón (MATLAB).
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Se puede observar que el sistema se comporta de la misma manera que con los datos reales, estabilizándose en ±1050 segundos o ±18 minutos, teniendo en cuenta esta simulación y las pruebas realizadas con la incubadora de madera siendo esta un modelo a escala del horno de cocción de la panadería la estrella del pan, se puede concluir que al llevar este sistema al horno real los resultados serán positivos.
De esta prueba también se pudo tener en consideración que existe un error en el sensor de temperatura del horno de cocción o un error debido al manejo empírico de este horno por parte de los panaderos. Se pensaba que el control de temperatura se realizaba a 180°C pero esta prueba demostró que esto es incorrecto y el horno controla la temperatura a 145°C, se usaron las Termocuplas tipo J (A y B) de la prueba número 1 para corroborar estas mediciones.
9.9 PRUEBA 9: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL CONTROL ON/OFF
EN EL HORNO DE COCCION.
Para esta prueba se utiliza el horno de cocción de pan de la panadería Estrella del
pan.
Figura 48. Diagrama final del control On/Off (Fuente propia).
El diagrama de la Figura 48 utiliza la tarjeta Raspberry Pi B+, monitor, teclado,
1 rele de 5v (Rl1) y la válvula de gas Honeywell VR8304M3194 que se encarga de
permitir o restringir el paso del gas para ser utilizado en el horno de cocción de pan.
Se decidió controlar la temperatura en 145°C por 30 minutos y la Tabla 14 muestra
los resultados.
Tabla 14. Muestreo de datos del control On/Off en el horno de cocción de pan (Fuente propia).
Muestreo de datos del control On/Off en el horno de cocción de pan
0 52,2 78,9 106 138 146 146 145
5 52,5 79,2 107 139 147 146 145
10 53,3 79,8 108 140 148 147 145
15 53,9 80,2 109 140 148 147 144
20 54,1 80,7 109 141 148 147 144
25 54,5 81,1 110 141 149 148 144
28,8 55,5 81,5 110 142 149 148 144
29,8 55,8 82,5 111 142 149 149 143
30,2 56,2 83,3 111 143 150 148 143
30,7 56,8 83,9 112 144 150 148 144
31 57,3 84,4 112 144 151 147 144
31,9 57,9 84,7 113 144 151 148 144
32,3 58,2 85,1 114 145 151 147 145
32,9 58,7 85,4 114 145 152 147 145
33,2 59 86,3 115 146 151 146 146
33,9 59,6 86,9 115 146 152 146 146
34,4 60,1 87,7 116 147 151 146 147
35,4 60,7 88,3 117 147 151 146 146
36 61,9 88,7 117 146 150 145 145
36,5 62,7 89,5 118 145 150 145 145
36,8 63,2 89,9 118 144 150 145 145
37,6 63,6 90,4 119 144 149 145
38 64,2 91,5 120 143 149 144
38,6 64,9 91,9 120 143 148 144
39,1 65,1 92,5 121 143 148 143
39,5 65,6 92,8 122 142 148 144
40,1 66,3 93,6 123 142 147 143
40,8 66,8 93,7 123 141 146 144
41 67,2 94,4 124 140 147 144
41,7 67,8 94,9 125 139 147 145
42,2 68,3 95,7 125 139 146 145
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42,8 68,9 96,3 126 138 146 145
43,3 69,3 96,8 126 137 145 146
43,9 69,8 97,4 127 137 146 147
44,2 70,9 98,1 128 137 145 147
44,8 71,3 98,7 129 138 145 147
45,3 71,7 99,3 129 138 145 148
45,9 72 99,8 130 139 144 148
46,1 72,9 100 131 139 144 147
46,7 73,3 100 132 140 143 147
47,6 73,8 101 132 141 143 146
48 74,3 101 133 141 142 147
48,8 74,8 102 133 142 143 146
49,4 75,1 102 134 142 142 146
49,9 75,7 103 135 143 143 146
50,2 76 104 135 143 143 146
50,8 76,4 104 136 144 144 146
50,6 77 105 136 145 144 145
51,5 77,8 105 137 145 145 145
51,8 78,3 106 138 146 145 145
En la Tabla 14 se pueden observar 370 datos y además el cambio de estado activo
de la válvula de gas cuando se encuentra por debajo del punto de referencia (145°C)
ha estado inactivo cuando se encuentra por encima, en la Figura 49 se puede
observar la gráfica del sistema.
Figura 49. Gráfica del Muestreo de datos del control On/Off en el horno de cocción de pan (Fuente propia).
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En la Figura 49 se observa el muestreo del sistema de control On/Off donde el eje
X representa el tiempo y el eje Y la temperatura. Se puede concluir que el control
On/Off se demora en alcanzar el punto de referencia (Estado de precalentado) en
±17 minutos, tiene una banda de histéresis de ±5°C, el sistema responde rápido a
la señal de control y se puede observar que existen compromisos en el desempeño
de la salida relacionados con el esfuerzo de control.
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10. CONCLUSIONES
A continuación se presentan las conclusiones obtenidas a lo largo de este proyecto
De las pruebas realizadas tanto experimentalmente como de campo se pudo evidenciar que el control On/Off es sencillo de realizar, presenta una histéresis, propio de este tipo de control, de ± 5°C.Por su parte, el control difuso es más complejo de realizar, se debe tener buen conocimiento del proceso, asignar bien las variables lingüísticas, las reglas y la tabla decisión. Facilita la ejecución de un buen control, siguiendo al punto de referencia con rapidez, y con un error no mayor a 1.5°C. El sistema de control implementado se aproxima a un control de relación porque la bucla cerrada encargada de controlar la temperatura en el horno está asociada con el resultado que entregue la bucla abierta que controla la variable tiempo, que le indica al panadero la pronta finalización de la referencia de pan, la primera deja de funcionar cuando la segunda lo indique. Esto motivó a que se diera una orden de inicio y fin, pero no existe un control específico que indique cuando una referencia de pan específica está lista. Por lo tanto, se programaron los tiempos más cercanos al proceso real, los cuales pueden variar dependiendo de ciertos parámetros exógenos como por ejemplo: la calidad del gas, la cámara del horno encargada de mantener el aire caliente y el mantenimiento del quemador de gas. Se identificó un error en el sensor de temperatura del horno de cocción sumado a un error en el manejo empírico de este horno por parte de los panaderos. Se pensaba que el control de temperatura se realizaba a 180°C pero la prueba de campo número 8 demostró que fue incorrecto y el horno mantiene una temperatura a 145°C, se corroboraron estos datos usando las Termocuplas tipo J (A y B) de la prueba número 1. Sin embargo no se vio afectada la calidad de las referencias de pan que fueron elegidas para el desarrollo de este proyecto.
Es primordial destacar las grandes ventajas y facilidades que representa trabajar con tarjetas de desarrollo como el Arduino y la Raspberry Pi debido a su bajo costo, entorno de programación fácil y directo, software y hardware ampliables y de código abierto, además de ser multiplataforma. Favoreciendo el desarrollo de un proyecto que apunta al crecimiento productivo de una microempresa, tal como se ha planteado para la panadería Estrella.
El sistema cumple con el requisito principal el cual es evitar que el proceso dependa de una sola persona (Panadero), al tener datos certeros en el control de temperatura y en los tiempos de cocción cualquier persona que este algo familiarizada con las acciones de la panadería será capaz de iniciar, continuar o terminar el proceso de cocción de las referencias de pan.
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11. TRABAJO A FUTURO
En el proceso de cocción de pan existe una gama extensa de referencias, esto trae
por consecuencia que los tiempos de cocción para este proyecto sean muy
diferentes, los cuales pueden variar dependiendo de ciertos parámetros exógenos
como por ejemplo: la calidad del gas, la cámara del horno encargada de mantener
el aire caliente y el mantenimiento del quemador de gas.
Un trabajo futuro para este proyecto podría ser la medición de algunos de estos
parámetros exógenos, actualizando los tiempos de cocción a medida que estos
cambien. Si la puerta del horno se abre en algún momento sería interesante que el
cerebro del sistema contara el tiempo y la caída de temperatura e hiciera los ajustes
correspondientes al tiempo de cocción, así los tiempos estimados serían mucho
más certeros a la hora de la finalización de la referencia de pan.
Otro trabajo futuro podría ser la mejora de la comunicación final con el cliente, un
entorno de comunicación como el seleccionado para este proyecto tiene muchas
ventajas como también desventajas, el servicio de mensajería de Gmail y Hotmail
puede ser algo molesto cuando se reciben muchos correos electrónicos en el día,
pudiendo llegar a considerarse como correo “Spam” o “Junk mail”. La creación de
una aplicación para el celular en “Android” o “IOS” podría mejorar mucho la
comunicación final con el cliente, seleccionando a qué horas y que tipos de
referencias ciertos usuarios quieren recibir actualizaciones de su pronta finalización.
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12. BIBLIOGRAFIA
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http://www.adafruit.com/datasheets/MAX31855.pdf
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mipymes
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Arias Martínez, O. (2006). Sistema de monitorio de temperatura para horno de gas.
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Bhargavi Sundara, K, C. (2013). Monitoreo de pacientes con GSM en UCIN. IJRET,
2, 120-123.
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