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Abstract—This document describes the development and

implementation of a system for monitoring equipment level flow

control located into electronics laboratories of the University

Francisco José de Caldas based technology is presented.

The techniques and theories used for the project have to do

with industrial control systems, programmable logic controllers,

monitoring systems and data acquisition, industrial

communication networks, human machine interfaces, SCADA

systems etc.

Among the equipment used there is a low-cost card

microcontroller Arduino, which was used to receive analog

signals from the flow sensors and equipment level and bring

them to a computer. Subsequently using the software and

LabView programming language, an interface where monitoring

is presented using graphical process flow and level of equipment

and real-time capture and download of data is permitted

designed.

The result is a device that connects to the control equipment

by banana connections, and through the graphical interface

developed allows the operator monitoring the flow and level in

real time during practice. Further down help download in an

Excel file or other format captured data.

Palabras Clave—Monitorización, control, interfáz gráfica,

Arduino, labVIEW.

1. INTRODUCCION

ebido al desarrollo que ha tenido la automatización

industrial en los últimos años y específicamente en el

campo de control de procesos, se ha creado la necesidad de

poder monitorizar y hacer seguimiento de los valores de las

variables físicas que intervienen en cada proceso. Los sistemas

de adquisición de datos supervisión y control SCADA

aparecieron como respuesta para suplir esta necesidad y hoy

son ampliamente utilizados en el campo industrial.

Los SCADA permiten la interacción entre el operario y el

proceso mediante entornos gráficos y facilitan la toma de

decisiones y la supervisión de los procesos. También aportan a

la mejora de la calidad de los productos, reducción de costos y

la automatización de los procesos. La mayoría de sistemas de

este tipo ayudan con la detección de fallos, diagnóstico y

control de los mismos.

El sistema de automatización de la vigilancia del proceso

con herramientas que permitan al operario interactuar con el

mismo y además hacer un seguimiento continuo de las

variables se conoce como monitorización. Esta consta de unas

funciones básicas que son la adquisición y registro de los

datos, representación gráfica y centralización o archivo de los

mismos.

Los sistemas de monitorización se tienden a confundir con

los sistemas SCADA, sin embargo si se realiza un examen a

profundidad se descubre que un sistema de monitorización es

parte fundamental de un sistema SCADA pero no posee todas

sus funciones. La diferencia radica en que el sistema de

monitorización no se ocupa del diagnóstico y control de los

fallos sino sólo de la supervisión del proceso.

Con la realización del presente proyecto se desarrolló e

implementó un sistema el cual permite monitorizar

gráficamente el proceso de una planta de control de nivel y

flujo. Dicho sistema posee una conexión directa con el

computador mediante puerto USB, y valiéndose de un

software y de una tarjeta microcontroladora permite la

presentación gráfica del proceso en tiempo real y la

generación de un reporte al final con los datos adquiridos.

Durante el desarrollo del presente documento se muestra

cada una de las etapas que se llevaron a cabo para la

realización de dicho sistema de monitorización.

2. MONITORIZACIÓN Y SUPERVISIÓN DE PROCESOS

“Monitorización es la determinación y representación

gráfica de las condiciones de funcionamiento de un sistema

real en tiempo real. Sinónimo de seguimiento o vigilancia

[1].” Es un componente de la monitorización el automatizar

los procesos de vigilancia y ayudar a que los operarios

detecten de manera temprana fallas o anomalías del proceso.

También facilita el diagnostico mediante el seguimiento

continuo que se realiza a las variables del proceso.

Según [1], las funcionalidades básicas de los entornos de

monitorización comprenden dispositivos para la adquisición

de datos e interfaces para la presentación gráfica. Los

dispositivos de adquisición de datos más comunes en la

actualidad son las (TAD) tarjetas de adquisición de datos que

resultan ser muy económicas. Estas tarjetas necesitan para su

utilización de un software y un de un ordenador. También

existen los buses de instrumentación que combinan

instrumentos y controles programables, y en aplicaciones

mayores los más usados son los autómatas programables

(PLC) y los buses de campo.

Sea cual sea el sistema de adquisición empleado para

instrumentar el sistema de monitorización, en todos se

establece una digitalización de la señal. Es decir, se establece

Javier Alberto Reyes Franco, Francisco Javier Angulo Páez

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Diseño e implementación de un sistema para la

monitorización de un proceso de control de

nivel y flujo

D

2

un procedimiento de conversión de la señal analógica en

digital, resultando una secuencia de muestras de la señal

original (señal muestreada) con una representación numérica.

En el caso de señales discretas o binarias (dos estados

posibles, 1 ó 0, ON/OFF, presencia / ausencia) es suficiente la

utilización de un dígito binario (bit) para su representación.

Para las señales analógicas o continuas (temperaturas,

caudales, presiones, etc. representadas por señales eléctricas

de 0-24 V, 0-10V, 4-20 mA. o similares) se utiliza en su

representación una palabra formada por varios bits

(habitualmente 8, 12, 16 o 32 bits), cuyo rango de valores

depende precisamente del número de bits según la relación

2N, siendo N el número de bits. El número de bits utilizado en

la representación viene limitado por el conversor y el

microprocesador que incorpora el sistema de adquisición, este

procedimiento de conversión analógica a digital es por lo

general transparente al usuario del sistema de monitorización

[1].

Afirman [1], que la representación del proceso es otra tarea

fundamental de la monitorización. Esta se realiza mediante

gráficas y controles que representan los elementos o

instrumentos del proceso. La interacción visual y mediante

controles que se genera con el proceso es lo que se denomina

interface gráfica de operador o interface hombre máquina.

Actualmente existen paquetes especializados llamados

SCADA constituidos por una serie de pantallas, menús y

botones.

“Un SCADA es una aplicación software especialmente

diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de

producción, con acceso a la planta mediante comunicación

digital con los reguladores locales básicos, e interfaz con

usuario mediante interfaces gráficas de alto nivel: pantallas

táctiles, ratones o cursores, lápices ópticos etc [2].” La figura 1

muestra la estructura elemental de un sistema SCADA .

Fig. 1. Estructura básica de un sistema SCADA. Fuente COLOMER, Joan;

MELENDEZ, Joaquim y AYZA, Jordi. Sistemas de Supervisión. Monografía

3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE CONTROL DE NIVEL Y FLUJO

AMATROL T5552

Para la realización de esta etapa se tomó como base la

información y las guías del fabricante entregadas a la

universidad las cuales descansan en el laboratorio de

electrónica, la información directa disponible en la WEB del

fabricante y la información adicional encontrada en libros y

bases de datos.

Los sistemas de control son sistemas donde se controlan las

magnitudes de una planta a través de un sistema de control

dotado de la instrumentación necesaria para dicha tarea, su

aplicación está presente en todos los campos de la industria

como por ejemplo la industria farmacéutica, la industria

manufacturera, la industria química, la industria petrolera etc.

Un ejemplo de un proceso de control es el proceso de control

del nivel de líquido en un tanque. El sistema de control para

esta aplicación consiste de un tanque, un sensor de nivel, una

válvula y un controlador de cualquier tipo. La figura 2 muestra

el sistema descrito.

Fig. 2. Sistema de control de nivel. Fuente guía Amatrol BB270-XD01XEN introduction to process control 2011.

La T5552 es un planta de control de nivel y flujo del

fabricante Americano Amatrol , la planta presenta dos tipos de

sistemas de control de procesos; proceso de control de nivel de

líquido y proceso de control de flujo. Consta de una mesa de

trabajo de acero soldado, red de control de procesos en laso

cerrado provista de dos tanques y todos los elementos de

control necesarios como válvulas, transductores y una red de

tubería PVC con conexiones rápidas para el intercambio fácil

de los elementos. Además para su funcionamiento requiere de

un suministro de red de agua, suministro de red de aire y

suministro de red eléctrica monofásica a 220 VAC . El panel o

tablero de control consta de varias estaciones con conexiones

tipo banana para una fácil conexión eléctrica entre los

elementos de control. Dicha planta está diseñada para que los

estudiantes aprendan a calibrar, ajustar, operar y conectar los

sistemas de control en procesos industriales, para esto cuenta

con 10 guías de laboratorio suministradas por el fabricante [3].

La figura 3 muestra la planta en mención.

Fig. 3. Planta de control de nivel y flujo Amatrol T5552. Fuente guía Amatrol DB270-XD00XEN process control learning system installation guide 2011.

3

Para ejercer el control del nivel y del flujo la T5552 cuenta

con 3 tipos de controladores: control de relé estándar,

controlador PID y control por PLC. El control del relé incluye

interruptores de entrada manual, relés de control, válvulas

solenoides, e interruptores de flotador automático para realizar

el control de encendido / apagado de nivel de líquido. La

opción de controlador PID permite un control variable

electrónico del nivel de líquido o flujo y la opción de

controlador por PLC permite tanto el control por encendido /

apagado como el control por PID del sistema. Las válvulas

manuales se utilizan para cambiar entre el PID y los diferentes

métodos de control.

La tabla 1 y la figura 4 muestran la lista y ubicación

detallada de los elementos que componen la planta de control

Amatrol T5552.

TABLA 1.

LISTA DE ELEMENTOS DE LA PLANTA DE CONTROL DE NIVEL Y FLUJO

AMATROL T5552

Ítem Descripción

Instrumento referencia

1 Dual - tanque de proceso N/A

2 Tanque de reserve N/A

3 Bomba de agua N/A

4 Manómetro 1 PI 100-A

5 Manómetro 2 PI 100-B

6 Válvula manual 1 (HV2) HV 100-A

7 Válvula manual 2 (HV1) HV 100-B

8 Válvula solenoide (SV1) SV 100-A

9 Válvula de control de flujo manual (HFV) FV 100

10 Rotámetro FI 100

11 Regulador de presión PC100 PI 100-C

12 Conversor neumático a corriente (I/P) IYT 100

13 Válvula proporcional de control de flujo FCV 100

14 Sensor de flujo de rueda de paletas FE 100

15 Switch flotante 1 LSH 200-A

16 Switch flotante 2 LSH 200-B

17 Sensor de nivel de presión hidrostática LET 200-A

18 Válvula solenoide (SV2) SV 100-B

19 Válvula solenoide (SV3) SV 100-C

20 Válvula manual 3 (HV3) HV 300

21 Válvula manual 4 (HV4) HV 100-C

22 Válvula manual 5 (HV5) HV 400

23 Control PID FIC 100

24 Sensor de nivel por ultrasonido LET 200-B

25 Transmisor de flujo-display FIT 100

26 Discrete I/O panel de conexión N/A

27 Control relé/válvulas solenoides panel de conexión N/A

28 Switches y leds indicadores N/A

29 Alimentación/ alarma/bomba/ panel de conexión N/A

30 PLC/ análogo/discreto/ I/O panel de conexión N/A

31 Medidor de proceso panel de conexión N/A

32 Sensor de flujo transmisor de presión diferencial N/A

Fuente guía Amatrol DB270-XD00XEN process control learning system installation guide 2011.

Fig. 4. Ubicación de elementos en la planta T5552. Fuente guía Amatrol DB270-XD00XEN process control learning system installation guide 2011.

3.1 Elementos de control de flujo de la planta Amatrol T5552

La T5552 dispone de varios elementos o instrumentos para

controlar el flujo de entre los que se pueden diferenciar los

elementos de control de flujo manuales y los elementos de

control de flujo electrónicos. Entre los elementos de control

de flujo manuales se encuentran las válvulas manuales 1 y 2 y

la válvula de control de flujo manual (HFV). Estos elementos

al ser manuales deben ser operados por una persona y no

permiten ejercer un control automático del proceso, motivo

por el que no hacen parte fundamental del presente proyecto.

Entre los elementos o instrumentos de control de flujo

electrónicos de la T5552 se encuentran las válvulas solenoide

(SV1, SV2, SV3), la válvula proporcional de control de flujo,

el sensor de flujo de rueda de paletas y el sensor de flujo y

transmisor de presión diferencial. Dichos elementos son los

apropiados para ejercer control electrónico del flujo ya que

funcionan como sensores o actuadores y pueden convertir la

magnitud del flujo en una señal eléctrica. Los siguientes

elementos son los seleccionados para la implementación del

sistema de monitorización (ver figura 5).

4

Fig. 5. Elementos de control de flujo usados en la monitorización. Fuente

guías Amatrol BB270 2011.

a) Sensor de flujo transmisor de presión diferencial.

El sensor de flujo transmisor de presión diferencial funciona

bajo el principio de la medición del flujo a través de la presión

diferencial. Trabaja con tres tipos de sensores de flujo por

presión; tubo venturi, tubo pitot y placa de orificio. Cada uno

de estos elementos crea una restricción en la tubería generando

una diferencia de presión con el paso del fluido la cual luego

es convertida por el transmisor en una señal análoga de 4 a 20

mA. La figura 6 muestra el dispositivo en mención.

Fig. 6. Sensor de flujo y transmisor de presión diferencial. Fuente guía

Amatrol DB270-XD00XEN process control learning system installation guide 2011

b) Sensor de flujo de rueda de paletas

Este sensor es también llamado sensor tangencial o de

turbina, determina el flujo mediante la rotación de una rueda

de paletas girada por el paso del flujo. El sensor genera pulsos

eléctricos por el paso de la rueda cuando sus aletas son

perpendiculares a la dirección del flujo. Un transmisor

convierte los pulsos en una señal análoga estándar de 4 a 20

mA proporcional al flujo en la tubería. Son fabricados en

plástico y se utilizan generalmente para flujos menores a 5

gpm. La figura 7 muestra la aplicación usual de este sensor.

Fig. 7. Fuente guía Amatrol BB270-XD06XEN basic flow measurement and

control 2011.

3.2 Elementos de control de nivel de la planta Amatrol

T5552

Para el control del nivel que se realiza específicamente en el

tanque de proceso, la T5552 cuenta con los switch flotantes 1

y 2, las válvulas manuales 3 y 4, las válvulas solenoide (SV2,

SV3), el sensor de nivel de presión hidrostática y el sensor de

nivel por ultrasonido. De manera similar al proceso de control

de flujo para poder ejecutar el proceso de control de nivel

automático o electrónico se debe prescindir de las válvulas

manuales y se debe hacer uso de los elementos sensores o

transductores para cualquiera de los 3 tipos de controladores.

La figura 8 muestras los elementos de control de nivel

utilizados para el sistema de monitorización.

Fig. 8. Elementos de control de nivel usados en la monitorización. Fuente

guías Amatrol BB270 2011.

a) Sensor de nivel por presión hidrostática

Los sensores o transductores de nivel por presión

hidrostática miden la presión de la columna del fluido en el

fondo del contenedor del fluido mediante una membrana de

acero inoxidable y un centrador de presión, esto conociendo

previamente la densidad del fluido. El valor de la medición se

convierte luego mediante un transmisor en una señal análoga

de 4 a 20 miliamperios de manera proporcional al nivel del

fluido. La figura 9 muestra la aplicación o utilización de este

sensor.

5

Fig. 9. Sensor de nivel por presión hidrostática. Fuente guía Amatrol BB270-

XD06XEN level measurement 2011.

b) Sensor de nivel por ultrasonido

El sensor de nivel por ultrasonido emite una onda hacia el

fondo del recipiente la cual luego de tocar con el fluido es

reflejada nuevamente y recibida por el sensor para determinar

el nivel del fluido. Esto lo hace a través de la medición del

tiempo que tarda la onda en ir y regresar hasta el punto de

donde fue emitida. El sensor convierte este tiempo en una

señal eléctrica análoga estándar de 4 a 20 mA la cual es

proporcional al nivel del fluido en el recipiente (ver figura 10).

Fig. 10. Sensor de nivel por ultrasonido. Fuente guía Amatrol BB270-

XD06XEN level measurement 2011.

Los switchs flotantes también se utilizan para el control del

nivel en el tanque de proceso mediante el método de control

por relé, sin embargo este método no ofrece una manera de

medición del nivel en el tanque y tampoco permite la

transmisión de los valores.

Los elementos o instrumentos descritos en este capítulo son

los más relevantes a la hora ejercer control del nivel o del flujo

en la T5552 ya que cumplen la función de transductores, es

decir toman la medida de la variable física en este caso el flujo

y el nivel y la convierten en una señal eléctrica. Esto permite

llevar estas señales a dispositivos o programas para su

procesamiento o manipulación.

4. DESARROLLO DEL SISTEMA DE MONITORIZACIÓN

Una vez descrito el funcionamiento de la planta y listados

los elementos de control de nivel y flujo de la T5552, el

siguiente paso fue el desarrollo del sistema de monitorización.

Para esta etapa se tuvo en cuenta que el sistema a desarrollar

debería estar conformado y funcionar de manera similar a los

sistemas de monitorización y supervisión actuales.

El sistema de monitorización que se desarrolló comprende

las tres funciones principales de este tipo de sistemas, es decir

la etapa de adquisición de los datos, la etapa de representación

gráfica y la etapa de descarga de la información. Además para

su funcionamiento requiere de 3 equipos interconectados; la

planta de control de nivel y flujo originaria de los datos, el

dispositivo de adquisición de datos y el PC.

Las señales eléctricas emitidas por los sensores de nivel y

de flujo de la planta T5552 son recibidas por el dispositivo de

adquisición datos, este las procesa y las envía al PC donde

finalmente son presentadas gráficamente. La figura 11 muestra

la configuración básica del sistema de monitorización y los

elementos que lo conforman.

Fig. 11. Sistema de monitorización. Fuente los autores.

4.1 Configuración del dispositivo de adquisición de datos

Luego de revisar los diferentes tipos de microcontroladores

existentes en el mercado se concluyó que más que un

microcontrolador lo que se requería para la adquisición de los

datos era una un plataforma o tarjeta microcontroladora con

características de código abierto y de fácil uso. Entre estas se

encuentran en el mercado las proporcionadas por National

Instruments, Waspmote , Arduino, Phidgets, Netmedia etc.

Finalmente se optó por utilizar la placa de Arduino

obedeciendo a criterios económicos, facilidad de uso, y

afinidad con los diferentes sistemas operativos.

Arduino es una plataforma de prototipos electrónicos de

código abierto, basada en hardware y software libres. Los

microcontroladores de la placa se programan usando el

software y lenguaje propio de Arduino basado en Wiring y

Processing. Las placas se pueden ensamblar a mano o

adquirirlas pre ensambladas. El software se descarga

gratuitamente de la página web y los diseños del hardware

están disponibles bajo licencia open-source por lo que se

pueden adaptar de acuerdo a las necesidades. El Arduino está

basado en microcontroladores Atmega 8 y Atmega 168 y 328

del fabricante Atmel y los planos de los módulos están

publicados bajo licencia libre [4].

Específicamente para el desarrollo del proyecto se utilizó la

placa Arduino uno R3 de las siguientes características (ver

tabla 2 y figura 12).

TABLA 2.

ESPECIFICACONES TECNICAS DE LA TARJETA ARDUINO UNO

6

Ítem Característica Técnica Especificación

1 Microcontrolador Atmega328

2 Voltaje de operación 5V

3

Voltaje de entrada

(Recomendado) 7 – 12V

4 Voltaje de entrada (Límite) 6 – 20V

5 Pines para entrada- salida digital 14 (6 pueden ser salida de PWM)

6 Pines de entrada analógica 6

7 Corriente continua por pin IO 40 mA

8 Corriente continua en el pin 3,3V 50 mA

9 Memoria Flash 32 KB (0,5 KB bootloader)

10 SRAM 2 KB

11 EEPROM 1 KB

12 Frecuencia de reloj 16 MHz

Fuente de http://www.arduino.cc. 2016

Fig. 12. Placa microcontroladora Arduino. Fuente de http://www.arduino.cc.

2016

Para la adquisición de los datos se toman las señales de

salida de los dos sensores de nivel y la señal del sensor de

flujo de la planta T5552 y se envían al Arduino, este las

procesa y las envía al PC mediante el cable serial. El

dispositivo de adquisición de datos también tiene como

función controlar el encendido y apagado de la bomba, la

apertura y cierre de la válvula solenoide (SV3) y la apertura y

cierre de la válvula proporcional de control de flujo. En este

sentido el paso siguiente fue diseñar el circuito electrónico

para la instalación o montaje del Arduino. Para esto se diseñó

el circuito electrónico en el programa para diseño de circuitos

impresos Eagle y se adquirió la PCB mediante un fabricante

de este tipo de elementos. Los anexos A y B muestran el

plano del circuito hecho en Eagle y la PCB que se ordenó

fabricar respectivamente.

El esquema del dispositivo de adquisición de datos y su

forma final se muestra en la figura 13.

Fig. 13. Esquema y forma final del dispositivo de adquisición de datos.

Fuente los autores.

Es conveniente aclarar que fue necesario acondicionar las

señalas emitidas por los 3 sensores antes de que entrasen al

Arduino, esto debido a que las entradas análogas de la placa

reciben señales de 0 a 5 Voltios y no de 4 a 20 mA como los

sensores. Para esto se utilizaron 3 resistencias de 200 ohmios

para convertir la señal emitida por cada sensor antes de que

entrara al Arduino y así obtener el voltaje en el rango

requerido; esto se realizó midiendo el voltaje con la resistencia

conectada por un lado con la corriente emitida por el sensor y

con una tierra por el otro lado. Además para poder operar la

válvula solenoide (SV3) y la bomba, fue necesario utilizar dos

relés como contactos eléctricos y dos transistores ubicados

entre el Arduino y los relés para protección de la tarjeta (ver

anexo A y anexo B).

4.2 Desarrollo de la interfaz gráfica

Según Niño [5], una interfaz gráfica se define como la

forma en que el usuario se comunica con el sistema. Existen

dos tipos de interfaces, la de modo gráfico y la de modo texto.

La interfaz de texto consiste en la comunicación basada en

comandos introducidos desde el teclado entendiendo un

comando como un programa que realiza alguna acción en el

sistema. Por su parte la interfaz gráfica se refiere a la

comunicación mediante gráficas, botones íconos y ventanas.

La interfaz gráfica es también llamada interfaz gráfica de

usuario, se caracteriza por mostrar imágenes y objetos

gráficos y por utilizar periféricos de entrada y salida .

Desongles et al. [6], afirman que uno de los objetivos más

importantes de una interfaz debe ser el evitar que el usuario

memorice cantidad de información, pasos o que repita un dato

varias veces. Otros parámetros a tener en cuenta en el diseño

de una interfaz son por ejemplo que sea de fácil aprendizaje,

que tenga una rápida velocidad de respuesta, que ofrezca

capacidad de retención o memorización al usuario, que sea

agradable y satisfaga al usuario etc. Con las interfaces son

utilizados dispositivos como ventanas y ratones, las ventanas

son superficies totales o parciales de la pantalla que adquieren

cierta independencia para interactuar con el usuario,

7

usualmente se pueden tener varias funciones de un programa

activas en diferentes ventanas pero solo se puede trabajar con

la ventana que este activa; normalmente una interfaz basada

en ventanas se opera a través del ratón alternado con el

teclado. En cuanto a las etapas de diseño se destacan

clásicamente cuatro que son: la etapa de reunión y análisis de

la información del usuario es decir definir el qué y el cómo de

las tareas que se van a realizar, el diseño que consiste en

definir todos los elementos visuales objetos y acciones, la

etapa de construcción donde se debe probar el diseño antes de

codificarlo definitivamente y la etapa de validación o prueba

por el usuario.

Existen gran variedad de programas para lograr la conexión

entre el Arduino y el computador y así mediante la generación

de un código ejercer la monitorización, presentación y

almacenamiento de los datos, entre estos se encuentran

Matlab, LabVIEW, MyOpenLab, Scilab etc. Sin embargo

algunos de estos software requieren una programación

rigurosa línea por línea lo que complica y hace que se requiera

de mayor tiempo para la programación. Es por este motivo que

se decidió utilizar el potente software de NI LabVIEW, el cual

se basa en un lenguaje de programación gráfica. Según su

fabricante National Instruments [7], LabVIEW es un software

específicamente diseñado para ingenieros y científicos basado

en un lenguaje de programación gráfica (G), que utiliza un

modelo de flujo de datos en vez de líneas secuenciales de

código de texto, lo que permite escribir un código funcional

utilizando un diseño visual que se asemeja a un proceso de

pensamiento. Además permite la integración con hardware y

dispositivos de diferentes fabricantes permitiendo el

desarrollo de interfaces de usuario gráficas personalizadas.

También es una plataforma que puede ejecutarse en los

sistemas operativos más comunes y permite descargar código

a varios dispositivos de hardware.

Como es labVIEW un software de programación gráfica, la

generación del código de programación y de la interfaz gráfica

se dieron de manera simultánea. Esto hizo que antes de

programar se tuviesen que definir previamente las ventanas o

pestañas que conformarían la interfaz gráfica. Para esto se

decidió que la interfaz gráfica debería tener 6 pestañas o

ventanas que se configuraron como se muestra a continuación.

a) Ventana de inicio y presentación

Es la ventana inicial o de presentación de la interfaz gráfica,

contiene el nombre de la universidad, la imagen, el título del

proyecto y los nombres de los ejecutores; todo dentro de la

ventana de panel frontal de labVIEW. Esta ventana no posee

ningún control, indicador o terminal. La figura 14 muestra el

detalle de esta ventana.

Fig. 14. Ventana de inicio. Fuente los autores.

b) Ventana o panel de sistema de control

La ventana o panel de sistema de control representa una

vista frontal de la planta de control de nivel y flujos T5552

con todos sus elementos, adicional muestra mediante

indicadores de labVIEW los valores del nivel en el tanque de

proceso medido por ambos sensores, también muestra el nivel

del tanque de reserva, el valor del flujo medido por el sensor

de paletas y el valor de la corriente en la válvula

proporcional; todos los valores con sus respectivas unidades

de medida. En esta ventana el usuario ubica de manera fácil y

rápida los valores de flujo y nivel y los puntos de la planta

donde se está realizando la medición (ver figura 15).

Fig. 15. Ventana panel del sistema de control. Fuente los autores.

c) La ventana o panel gráfico

Es la ventana principal de la interfaz gráfica en relación con

el objetivo principal de monitorización. Está constituida por

dos recuadros, uno pictórico y uno de controles de operación y

contiene la programación principal del sistema de

monitorización.

Como lo muestra la figura 16, el recuadro izquierdo

corresponde al pictórico o esquema del proceso de

monitorización, el cual inicia en la esquina inferior izquierda

con el tanque de reserva con su respectivo indicador del nivel,

también muestra un led verde que se ilumina cuando la bomba

está en operación. Continúa el flujo hacia la derecha

mostrando una línea de tubería que semeja la disposición real

de la planta de control con sus accesorios. Luego la línea de

tubería gira hacia arriba mostrando el rotámetro indicando el

flujo en ese punto. La tubería gira luego hacia la izquierda

donde se encuentra la válvula proporcional con un indicador

de la corriente que entra a la válvula y un control deslizante

con escala de 0 a 2; el cual determina la corriente que llega a

la válvula proporcional, siendo 0 el valor para la válvula

totalmente cerrada y 2 el valor para la válvula totalmente

8

abierta. Justo encima del control deslizante y en la línea de

tubería se encuentra el sensor de flujo de paletas también con

su respectivo indicador del flujo. Continúa el flujo hasta el

tanque de proceso el cual tiene dos cámaras; una en donde se

muestra mediante un indicador el nivel en centímetros según

el sensor de presión hidrostática y otra cámara con un

indicador que muestra el nivel en pulgadas según el sensor

ultrasónico. Debajo del tanque de proceso sigue la tubería

hacia el tanque de reserva, ubicándose en ese punto la válvula

solenoide (SV3) la cual posee un led que se ilumina cuando

esta se activa.

Al lado derecho de la ventana está el recuadro de controles

de operación donde se ubican de arriba hacia abajo

respectivamente,: los botones de inicio y parada, un control

para seleccionar la ruta de los archivos, un control para definir

el tiempo de captura de los datos en segundos, un control para

refrescar el puerto de la pc cada vez que se inicie el

dispositivo y un control booleano para activar o desactivar la

válvula solenoide (SV3) y así vaciar el tanque de proceso. La

figura 16 muestra el detalle de esta ventana.

Fig. 16. Ventana panel gráfico. Fuente los autores.

d) Ventana de monitorización de flujo y ventana de

monitorización de nivel

Las ventanas de monitorización de flujo y monitorización

de nivel son las ventanas que muestran las gráficas en tiempo

real de las dos variables del proceso. La ventana de

monitorización de flujo es la que muestra la gráfica del

comportamiento del flujo en un periodo definido de 4 minutos.

En el eje x presenta el tiempo de muestreo para el periodo

mencionado; y en el eje y muestra la escala del flujo en GPM.

La cantidad de datos graficados depende del tiempo de

muestreo configurado previamente en la ventana de panel

gráfico, este tiempo puede ser configurado de mínimo un

segundo hacia adelante y debe definirse en números enteros.

Cuando se inicia la monitorización y se empiezan a capturar

datos, la gráfica presenta el comportamiento del flujo

mediante una línea que se va dibujando a medida que se

reciben los datos del equipo por medio del sensor de flujo de

paletas. La figura 17 muestra la ventana en mención.

Fig. 17. Ventana de monitorización de flujo. Fuente los autores.

La ventana de monitorización de nivel muestra las gráficas

del comportamiento del nivel dentro del tanque de proceso el

cual tiene dos compartimientos y en cada compartimiento un

sensor de nivel. A la izquierda muestra la gráfica generada por

los datos capturados en uno de los compartimientos del tanque

por el sensor de nivel de presión hidrostática y a la derecha

muestra la gráfica de los datos capturados por el sensor de

nivel por ultrasonido en el otro compartimiento del tanque de

proceso.

En el eje x se presenta el tiempo de muestreo para un

periodo de 1 minuto en ambas gráficas; y en el eje y se

muestra la escala del nivel en centímetros para la gráfica del

sensor de nivel de presión hidrostática y en pulgadas para la

gráfica del sensor de nivel por ultrasonido. Las escalas del eje

y en ambas gráficas están alineadas con las regletas que

muestran el nivel en el tanque de proceso.

La figura 18 muestra la imagen de la ventana de

monitorización del nivel.

Fig. 18. Ventana de monitorización de nivel de líquido. Fuente los autores.

e) Ventana de reporte

La ventana de reporte muestra una tabla con los últimos 20

valores de flujo y nivel los cuales se van capturando con el

correr de la monitorización. Al final cuando se detiene el

programa estos datos quedan guardados en un archivo

completo, en la ruta y formato especificados con anterioridad

en la ventana de panel gráfico cuando se inició la

monitorización. Esta ventana también muestra en su parte

inferior izquierda la leyenda o significado de cada una de las

letras del encabezado de las columnas de la tabla.

El reporte final en formato xls contiene una tabla con 7

9

columnas de manera similar a la ventana de reporte en donde

se presentan de izquierda a derecha los datos capturados en el

siguiente orden. En la primera columna el dato del día de la

práctica, luego la hora, el nivel del tanque de almacenamiento

(T1), el nivel del tanque de proceso en centímetros (T2), nivel

del tanque de proceso en pulgadas (T3), corriente en la válvula

proporcional (V1) y flujo en galones por minuto (F1).

La figura 19 muestra la ventana de reporte y la forma en

columnas en la que se presenta el reporte final de Excel.

Fig. 19. Ventana de reporte. Fuente los autores.

4.2.1 programación generada en labVIEW

La programación que se generó en labVIEW se hizo de

manera simultánea con las ventanas de las interfaz gráfica, a

medida que se insertaban indicadores y controles en las

diferentes ventanas de la interfaz gráfica se iban enlazando y

configurando los mismos en la programación. La

programación a grandes rasgos tiene tres etapas, una primera

donde se interpretan las tres señales análogas que entran al

Arduino provenientes de los sensores y se ejecutan las tres

señales digitales que salen del Arduino. También se

acondicionaron las señales de entrada mediante

multiplicadores para lograr que los valores que muestran los

tanques en las diferentes ventanas de la interfaz fueran

correctos. La figura 20 muestra las partes de la primera etapa

de programación.

Fig. 20. Primera etapa de programación. Fuente los autores.

La segunda etapa posee un sub ciclo dentro del ciclo

principal que está condicionado al botón de inicio. Dentro de

dicho sub ciclo se ubican las tres graficas de los sensores (2

gráficas de nivel y 1 gráfica de flujo), los indicadores del flujo

y de la válvula de flujo y también el control deslizante que

regula la corriente de la válvula de flujo. La figura 21 muestra

la segunda etapa de programación.

Fig. 21. Segunda etapa de programación. Fuente los autores.

La tercera etapa de programación incluyó la generación del

reporte, aquí se incluyeron los controles que organizan el texto

en columnas, el control del tiempo de muestreo y el ciclo que

genera el reporte de office con sus respectivos encabezados.

La figura 22 muestra los controles de la tercera etapa de

programación.

Fig. 22. Tercera etapa de programación. Fuente los autores.

En la figura 22 se puede ver en su parte inferior el fin del

ciclo principal (recuadro negro grande), también se ve un

recuadro más pequeño que corresponde el sub ciclo de

generación del reporte de office.

5. PRUEBAS DE MONITORIZACIÓN

Configurados el módulo de adquisición de datos y la

interfaz gráfica el siguiente paso fue realizar las pruebas de

funcionamiento del sistema de monitorización. En estas

pruebas se buscó identificar las posibles fallas de

programación o del dispositivo electrónico para realizar los

cambios a que hubiese lugar.

5.1 Prueba de funcionamiento 1

La prueba 1 se realizó el día 19 de agosto de 2016. Una vez

verificadas las conexiones necesarias se abrió el switch

eléctrico de la planta y se empezaron a tomar datos a partir de

las 5:48 pm. El programa se inició desde la ventana de panel

gráfico configurando un tiempo de muestreo de 1 segundo

para la toma de cada dato y se especificó la ruta de escritorio

para el reporte final en formato xls. El programa se inició sin

problemas, la bomba se activó con el inicio del programa y

empezó a correr flujo por la tubería, se esperó un tiempo para

que el tanque de proceso estuviera en un nivel medio y así

poder empezar a tomar las capturas de las diferentes ventanas.

Una primera captura se realizó a las 5:52 pm de la ventana de

monitorización de nivel como lo muestra la figura 23.

10

Fig. 23. Sensores de nivel en prueba 1. Fuente los autores.

En esta captura se evidenció que el nivel del tanque en ese

momento según el sensor de nivel de presión hidrostática era

7.5 cm aproximadamente, y el nivel en el tanque según el

sensor de nivel por ultrasonido era de 3 pulgadas

aproximadamente. También se detectó en ese momento que el

rango o intervalo de tiempo para el eje x en ambas gráficas

estaba mostrando los datos para un periodo de 17 minutos y

que era bastante alto.

A las 5:53 pm se capturó la imagen del panel gráfico, los

indicadores y los controles de operación funcionaron sin

ninguna novedad. Los valores del nivel estaban acordes con lo

que indicaban los tanques físicamente y el flujo mostrado era

0 debido a que en la practica 1 no se dispuso del sensor de

flujo de paletas y tampoco se logró conectar el sensor de flujo

y transmisor de presión diferencial. Se probó el vaciado del

tanque activando el control booleano de la válvula solenoide la

cual funcionó también de acuerdo a lo esperado. La figura 24

muestra la captura del panel gráfico en la prueba 1.

Fig. 24. Panel gráfico en prueba 1. Fuente los autores.

Posteriormente se capturó la imagen de la ventana de panel

del control, este también funcionó correctamente y los

indicadores mostraron los valores correctos frente a la

verificación física de los mismos. Para el caso del flujo se

evidencio también que el valor era 0 debido a que los sensores

de flujo no estaban conectados. La figura 25 muestra el panel

de control durante la prueba 1.

Fig. 25. Panel de control en prueba 1. Fuente los autores.

Como en la prueba 1 no se dispuso de los sensores de flujo

porque no se lograron instalar, el valor del flujo que se

muestra en las capturas de los paneles de control y panel

gráfico es 0, esto hizo que no se tomara la captura de la

ventana del sensor de nivel porque no mostraba ninguna

información.

Se verificó también el funcionamiento de la ventana de

reporte y esta funcionó y mostró los datos dentro de los

parámetros esperados.

A las 5:56 pm se finalizó la prueba 1 y se pasó a verificar el

reporte final generado en Excel donde se capturaron en total

387 datos, se notó que los valores capturados estaban

ordenados en columnas de manera correcta y con la respectiva

fecha y hora. Para hacer más entendibles los datos se

completaron los encabezados de las columnas en el reporte y

se resaltaron en amarillo los datos de la hora exacta de las

capturas de la figura 23, 24 y 25. Con esto se corroboró que

los datos mostrados en el reporte de Excel eran iguales a los

mostrados en las capturas de las figuras 23, 24 y 25. La figura

26 muestra los datos de mencionados.

Fig. 26. Datos generados en el reporte xls de la prueba 1. Fuente los autores.

La evaluación final de la prueba 1 en general fue positiva

quedando pendiente sólo la verificación del funcionamiento de

la ventana del sensor de flujo. El dispositivo electrónico y el

programa funcionaron de manera correcta y no hubo que

realizar mayores cambios tras la prueba 1; salvo el ajuste del

tiempo de muestreo en la gráfica de los sensores de nivel. Sin

embargo en la prueba 1 no se verificó la ventana de

monitorización de flujo ni se compararon los datos físicos

versus los datos capturados por el dispositivo lo que ratificó la

necesidad de que se realizara la prueba 2.

11

5.2 prueba de funcionamiento 2

La prueba 1 demostró que el dispositivo y el software de

monitorización funcionan de manera correcta y sólo hubo que

ajustar la escala de tiempo de muestreo en la gráfica de los

sensores de nivel. No obstante en la prueba 1 no se tomaron

las imágenes de evidencia física de los valores de las variables

de flujo y nivel. En la prueba 2 se buscó comparar los datos

mostrados en las ventanas de la interfaz gráfica con los datos

del reporte y los datos de evidencia física; es decir se buscó

comparar los datos mostrados por fotografías del tanque de

proceso y del rotámetro con los mostrados en la interfaz

gráfica y los mostrados en el reporte final de Excel para un

mismo momento. La prueba 2 se realizó el día 22 de Agosto

de 2016 a las 04:14 pm y se capturaron en total 104 datos, uno

cada segundo. Lo primero una vez iniciada la práctica fue

verificar el funcionamiento de la ventana del sensor de flujo

(ver figura 27) ya que en la prueba 1 fue la única que no se

verificó.

Fig. 27. Panel sensor de flujo prueba 2. Fuente los autores.

Como se puede observar en la figura 27, el dato del flujo en

el momento de la captura fue de 0.5 GPM aproximadamente,

se observa también la línea de tendencia o comportamiento del

flujo para los últimos 4 minutos y en general el

comportamiento de la ventana y de la gráfica fueron los

esperados.

Para poder ver y comparar los datos mostrados en la

realización de la prueba 2 y teniendo en cuenta que en la

prueba 1 se demostró que los datos del reporte final de Excel

coinciden con los datos mostrados en las capturas de cada

ventana; se elaboró una tabla a partir del reporte xls de la

prueba 2. La tabla contiene 5 columnas tomadas del reporte

final xls de la prueba 2 más 2 columnas a la derecha que se

agregaron para mostrar el valor del flujo en ese momento en el

rotámetro y el valor del nivel en el tanque de proceso en el

momento de la prueba (ver tabla 3).

TABLA 3.

COMPARACION DATOS DEL REPORTE XLS GENERADO EN

LABVIEW VS DATOS FISICOS

Los datos en verde representan el nivel en el tanque de

proceso y los datos en amarillo representan el flujo en el

rotámetro, de este modo se ve en la tabla 3 que los datos de

flujo y nivel arrojados por el reporte xls de labVIEW y los

datos físicos del rotámetro y el tanque de proceso son muy

similares. Sin embargo hay algunas diferencias importantes en

los datos del flujo mostrado en el reporte versus los datos

visualizados en el rotámetro. Esto se debe principalmente a

que en la prueba 2 para medir el flujo se utilizó el sensor de

flujo de presión diferencial el cual se debe calibrar muy bien

para que los datos sean fiables. Además el rotámetro también

implica algún margen de error por paralelaje o mala

calibración.

Luego de terminada la prueba 2 el balance fue positivo, se

logró verificar el correcto funcionamiento de la ventana de

monitorización de flujo y nuevamente se confirmó que los

datos mostrados en la interfaz gráfica y los arrojados en el

reporte final luego de la práctica son correctos. También se

hizo una comparación entre los datos físicos tomados del

rotámetro y del tanque de proceso y los datos arrojados en el

reporte final obteniendo datos muy similares lo que demostró

la fiabilidad del sistema de monitorización.

Finalmente para la presentación de la monitorización se hizo

un video explicativo paso a paso de todo el proceso, en donde

se explica cómo debe conectarse el dispositivo a la planta y se

muestra como iniciar el programa en labVIEW para empezar

la toma de los datos. También se explica el funcionamiento de

cada una de las ventanas de la interfaz gráfica y se describe

cada uno de sus respectivos controles o indicadores. Además

se comparan los datos de flujo y nivel mostrados por el

rotámetro y el tanque de proceso, contra los datos mostrados

en la interfaz gráfica. Finalmente se indica cómo detener la

planta y generar el reporte de Excel con los datos que se

capturaron durante la prueba.

Adicional se desarrolló una guía o cartilla para el uso del

equipo con el dispositivo de monitorización donde se explican

detalladamente sus partes y el paso a paso para poder realizar

las prácticas de monitorización. Dicha cartilla se entregará al

laboratorio para que los estudiantes puedan realizar sus

prácticas de monitorización.

Con esto se da por terminado el diseño e implementación del

sistema de monitorización de la planta de control de nivel y

flujo T5552, quedando el dispositivo o sistema de

monitorización listo para ponerlo a disposición de los

usuarios.

Datos del reporte xls de labVIEW en la prueba 2

Datos físicos del rotámetro y

del tanque de proceso

Fecha Hora T1

(cm) T2

(cm) T3

(pulg)

Corriente V1

(mA)

Flujo F1

(GPM)

T2 (cm)

T3 (pulg)

Rotametro flujo(GPM)

22/08/2016 5:03 p. m. 40,71 20,52 7,95 1,21 1,05 20,50 8,00 0,90

22/08/2016 5:03 p. m. 27,69 13,92 5,42 1,21 0,64 13,50 5,25 0,50

22/08/2016 5:03 p. m. 27,69 13,92 5,42 1,21 0,52 13,50 5,25 0,40

22/08/2016 5:04 p. m. 19,39 9,64 3,84 1,21 0,68 9,50 3,75 0,60

22/08/2016 5:04 p. m. 10,69 5,23 2,15 1,21 1,23 5,00 2,00 1,10

22/08/2016 5:05 p. m. 34,82 17,45 6,84 1,21 1,23 17,00 6,60 1,10

22/08/2016 5:05 p. m. 33,50 16,38 6,74 1,21 0,87 16,25 6,40 0,80

Fuente los autores

T1 = Nivel en el tanque de reserva (cm) V1 = Corriente vál. (mA) T2 = Nivel en el tanque de proceso (cm) F1 = Flujo en (GPM) T3 = Nivel en el tanque de proceso (pulg)

12

6. CONCLUSIONES

El módulo de adquisición de datos que se desarrolló presenta

una solución económica y versátil, permite modificaciones o

ampliaciones a futuro y no genera dependencia tecnológica ya

que se basó en un hardware libre. También puede ser utilizado

para procesos de adquisición de datos especialmente en

industrias pequeñas que no cuentan con mayores recursos.

La interfaz gráfica implementada es funcional, permite la

monitorización de las variables de nivel y flujo en línea con el

proceso y permite la descarga de los datos al final de las

prácticas.

El sistema de monitorización desarrollado e implementado

cumplió con los objetivos trazados inicialmente, durante las

pruebas realizadas se demostró que es una solución funcional

y es un sistema que puede ser implementado con menos

recursos que las soluciones que ofrece el mercado. Además es

una aplicación práctica que se puede utilizar en cualquier

proceso que utilice transductores.

El sistema de monitorización desarrollado permite al usuario

entender de manera gráfica el funcionamiento del proceso de

control que realiza la planta Amatrol T5552. También permite

identificar la ubicación exacta de los elementos de control e

instrumentos directamente relacionados con el nivel y el flujo.

REFERENCIAS

[1] COLOMER, Joan; MELENDEZ, Joaquim y AYZA, Jordi. Sistemas de Supervisión. [en línea]. 1 ed. Barcelona, España. CEA Comité Español

de Automática. 1999. [Citado 01 Sep, 2016]. Disponible en Internet

<URL: http://intranet.ceautomatica.es/sites/default/files/>. [2] BALCELLS, Josep. y ROMERAL, José. Aplicaciones de los PC

industriales. En: Autómatas Programables. Barcelona: Marcombo

Boixareu, 1997. p. 374-382. [3] [Citado el 25 de Septiembre de 2016] Disponible en

<http://www.amatrol.com/coursepage/t5552/>.

[4] [Citado el 25 de Septiembre de 2016] Disponible en <http://www.arduino.org/learning/getting-started/what-is-arduino>.

[5] NIÑO, Jesús. Tareas básicas I. En: Sistemas operativos monopuesto.

Madrid, España: Editex, 2011. p. 118-121. [6] DESONGLES CORRALES, Juan, et al. Diseño del interfaz de usuario.

En: Técnicos de soporte informático de la comunidad de Castilla y León.

Sevilla, España. Mad, S.L, 2006. p. 91-118. [7] [Citado el 02 de Septiembre de 2016] Disponible en

<http://www.ni.com/labview/esa/>.