Diseño de una Interfaz Labview y Arduino e Implementación de un Programa Aplicado a la Máquina de Vacío del Laboratorio de Mecánica

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Página 1 de 52 Juliette Sánchez, Erika Niño

DISEÑO DE UNA INTERFAZ LABVIEW Y ARDUINO E IMPLEMENTACIÓN DE

UN PROGRAMA APLICADO A LA MÁQUINA DE VACÍO DEL LABORATORIO

DE MECÁNICA

Design of an interface LabVIEW and Arduino and implementation of an

applied program to the Máquina de vacío of Mechanical Laboratory

Resumen

Actualmente, existen muchas herramientas que facilitan las aplicaciones de control que se manejan en la industria para que se lleve a cabo un proceso; sin embargo, algunas de ellas pueden resultar económicamente desfavorables.

El presente documento tiene como fin dar a conocer un manual de instrucciones, cuyo contenido permita interpretar de manera sencilla, cada uno de los elementos utilizados para el desarrollo de una interfaz entre el micro-controlador Arduino y el software LabVIEW, que pueda reemplazar aquellas herramientas que no son accesibles para prácticas exclusivamente académicas e inclusive para aplicaciones industriales sencillas de programación para controlar maquinaria y equipos.

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Página 2 de 52 adecuadamente y así lograr la comunicación requerida en esta estrategia de control para procesos de automatización.

En el desarrollo del proyecto, fue indispensable hacer una adecuación del panel de conexiones de la Máquina de vacío, para obtener una mejor distribución de las mismas, lo que permitió disminuir tiempo y lograr una conexión más eficiente de la máquina.

Abstract

Currently, there are many tools that facilitate the control applications that are handled in the industry so that a process is carried out; however, some of them may be economically unfavorable.

The purpose of this document is to present an instructions manual, whose content allows to interpret in a simple manner, each of the elements used for the development of an interface between the Arduino microcontroller and LabVIEW software, which can replace those tools that are not accessible for exclusively academic practices and even for simple industrial programming applications to control machinery and equipment.

This interface will allow the Máquina de vacío FESTO located in the Mechanical Laboratory of the Francisco José de Caldas District University - Technology Faculty, through a program implemented in the first instance in ladder language and modified to logic floodgates to obtain Boolean results, that is, obtain 1 or 0 as the case may be and be able to run in LabVIEW, complete a stage of verification of its elements and a stage of production simulation under certain parameters established in the development of the programming. Thanks to this interface, the students will have a pleasant experience with the software, since the graphic being, it will be possible to observe the activation and deactivation of the sensors and the electrovalves that the machine comprises, in the same way it will be possible to control the times of the timers in the verification stage.

Additionally, the connection that was necessary to ensure that both the input signals and the output signals of the Arduino will work properly and thus achieve the communication required in this control strategy for automation processes will be explained.

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Tabla de contenido

1. Introducción ... 4

2. Marco Teórico ... 4

2.1 Arduino ... 5

2.2 LabVIEW ... 6

2.3 Módulo de LabVIEW Real-Time ... 6

2.4 Toolkit VI Package Manager ... 6

2.5 Equivalencia de lógica cableada a compuertas lógicas ... 6

2.6 Máquina de vacío FESTO ... 7

3. Metodología ... 8

3.1 Ajuste de la Máquina ... 10

3.1.1. Rediseño panel conexión Máquina de vacío FESTO ... 10

3.1.2. Conexión panel ... 13

3.2 Automatización de la Máquina ... 13

3.2.1. Conexión LabVIEW - Arduino ... 13

4. Diseño y construcción ... 22

4.1 Descripción Bloques de Arduino en LabVIEW ... 22

4.2 Configuración Arduino en LabVIEW ... 23

4.3 Implementación Bloques Arduino para comunicación con LabVIEW ... 24

5. Algoritmo de programación ... 25

5.1 Descripción bloques requeridos en LabVIEW ... 25

5.2 Programa funcionamiento de la Máquina en lenguaje LADDER ... 27

5.3 Máquina de vacío FESTO ... 33

5.4 Descripción secuencia de producción ... 36

6. Resultados ... 38

6.1 Programa funcionamiento de la Máquina Compuertas Lógicas ... 38

6.1.1. Descripción de controles, entradas y salidas del programa ... 41

6.2 Programa Máquina de vacío FESTO como Emulador ... 46

7. Conexión Interfaz – Máquina de vacío FESTO ... 47

7.1 Esquema de conexión ... 48

8. Conclusiones ... 51

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1. Introducción

El auge en los procesos de la industria logró el desarrollo de técnicas de control que permitieron incrementar la producción y disminuir los tiempos de fabricación de los productos de las grandes empresas, no obstante, todas estas aplicaciones resultan ser costosas para proyectos de pequeña dimensión, es por esto, que este proyecto se encaminó en la búsqueda de alternativas más accesibles y de fácil manejo, para sustituir este tipo de tecnología, como lo es el uso de PLC’s, con el diseño de una interfaz que sea capaz de realizar un proceso similar y adicionalmente se tenga una interacción hombre – máquina al poder controlar desde un software el funcionamiento de un mecanismo que no sea tan robusto, en el caso de esta investigación el elemento de prueba fue la Máquina de vacío FESTO del Laboratorio de Mecánica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica.

Esta máquina consta de 10 sensores inductivos y cinco electroválvulas alimentados cada uno a 24VDC y cinco actuadores, los cuales permiten transportar un disco desde el dispensador hasta la zona de troquelado, donde se realiza un troquel de 3 segundos y luego continúa hacia la zona de ventosa y retorna de nuevo al dispensador. Teniendo en cuenta el funcionamiento del brazo neumático FESTO, se diseñó un programa que cumpliera con estas condiciones, además de una etapa de verificación, un reset que permita finalizar el proceso y un paro de emergencia que apague todo el sistema en cualquier momento. La construcción del programa se realizó en el software LabVIEW, que es un sistema de programación gráfica usado para desarrollar simulaciones, pruebas y control, utilizando compuertas lógicas, temporizadores al trabajo y al reposo, entre otros.

Por su parte, la interfaz se realizó con LabVIEW y el micro-controlador Arduino con la cual se logró conseguir que lo programado en el software se viera reflejado en los pines de entrada y salida del Arduino MEGA, comprobado mediante una prueba piloto que se realizó, utilizando leds y pulsadores.

2. Marco Teórico

Los retos que afrontan las industrias para satisfacer el mercado, se han venido incrementando notablemente en los últimos tiempos y de manera similar las demandas de los sistemas de control de procesos, con el fin de crear producciones más eficientes y con los mínimos errores posibles.

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Página 5 de 52 En el proceso de automatización, es necesario realizar un análisis del proceso al cual se le quiere aplicar el automatismo, buscar elementos adecuados para realizarlo, estudiar los costos, realizar la correcta instalación y verificar su funcionamiento.

Para el desarrollo de la interfaz, se utilizará el micro-controlador Arduino MEGA, el cual será el elemento de conexión física entre LabVIEW y la Máquina de vacío FESTO del Laboratorio de Mecánica, es decir, se diseñará en LabVIEW el código que cumpla con las condiciones de la secuencia y éste a su vez enviará la información a través de la placa a los sensores del brazo neumático y estos actuarán de acuerdo a los parámetros establecidos, de igual manera funciona el proceso con las electroválvulas, pero en este caso la activación de las electroválvulas se leerá en la placa y esta envía la información al programa de LabVIEW donde se ejecutarán las instrucciones programadas.

2.1 Arduino

Arduino es un entorno de prototipos electrónicos que se fundamentan en hardware (placa) y software flexibles y de fácil interpretación. Además, requiere de un lenguaje de programación Processing/Wiring para poder ser utilizado, programado y configurado a una o varias necesidades, lo que permite una mejor interacción entre el usuario y el computador. [2]

Por lo que se puede decir que Arduino es una herramienta "completa" ya que sólo se necesita instalar y configurar el lenguaje de programación establecido para éste micro controlador, haciéndola una herramienta de aprendizaje en el ámbito del diseño de procesos electrónicos-automáticos. Gracias a sus entradas análogas y digitales Arduino permite interactuar con diferentes elementos electrónicos como sensores, actuadores y motores. [2]

Es por esto que se decidió aplicarlo para este proyecto, haciendo uso de sus salidas digitales con el fin de obtener un 1 o 0, que determinarán la apertura o cierre de un contacto, y se verá reflejado físicamente con la activación o desactivación de sensores de proximidad. En la Figura 1 se puede observar una placa de Arduino MEGA.

Figura 1. Tarjeta Arduino MEGA

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2.2 LabVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un ambiente para el desarrollo de aplicaciones de propósito general que permite controlar dispositivos y realizar análisis de datos. También utiliza un lenguaje de programación gráfica llamado lenguaje G, el cual a través de diagramas de bloques brinda una solución gráfica a un problema de programación. [3]

Este software permite visualizar resultados mediante interfaces de usuario de “clic-y-arrastre” y visualizadores de datos integrados. Este software garantiza la compatibilidad con otras herramientas ya que puede interactuar o reutilizar bibliotecas de otro software y lenguajes de fuente abierta como Arduino. [3]

LabVIEW cuenta con dos interfaces: panel frontal y diagrama de bloques. Estas cuentan con paletas que contienen los objetos necesarios para implementar y desarrollar tareas.

2.3 Módulo de LabVIEW Real-Time

El Módulo de LabVIEW Real-Time es una solución para crear sistemas integrados confiables e independientes que funciona como complemento en el entorno de desarrollo de LabVIEW, el cual ayuda a desarrollar y mejorar aplicaciones gráficas especificas en tiempo real que pueden descargarse y ejecutarse en dispositivos. [4]

2.4 Toolkit VI Package Manager

VI Package Manager es un complemento de LabVIEW que permite la comunicación con Arduino para el desarrollo de múltiples proyectos. Este complemento es una herramienta fácil de usar que permite simplificar el desarrollo de procesos de ingeniería. [5]

La interfaz de LabVIEW con Arduino toolkit permite crear de forma rápida y fácil, interfaces gráficas de usuario para cualquier componente que sea compatible con este micro controlador. Este kit de herramientas de código libre permite a los usuarios crear controladores personalizados para sus sensores. [6]

2.5 Equivalencia de lógica cableada a compuertas lógicas

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NOMBRE AND - Y OR - O XOR

O - Exclusiva

NOT Inversor

NAND NOR

SIMBOLO

EQUIVALENTE EN CONTACTOS

Figura 2. Equivalencia lógica cableada a compuertas lógicas Fuente: Elaboración propia

2.6 Máquina de vacío FESTO

La Máquina de vacío FESTO está compuesta eléctricamente por 10 sensores de tipo inductivo marca FESTO tipo PNP que operan a 24 VDC, cinco electroválvulas denominadas Venturi a una tensión de 24 VDC y cinco actuadores (giro y doble efecto). Este brazo cuenta con una técnica de vacío compuesta por una ventosa con rosca de fijación en forma de campana con tobera de aspiración que tiene como propósito sujetar piezas para transportarlas.

Este equipo contiene un panel de conexión X2 para el sistema de vacío en el que se encuentra la conexión de los sensores, electroválvulas, relés, pulsadores, entre otros y un carril din y borna para entradas y salidas para PLC que permite crear una secuencia programada desde un software que cumpla con los requisitos de cada manual de PLC con lenguajes más comunes como ladder o diagrama de bloques. [5]

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Página 8 de 52 Figura 4. Vista trasera Máquina de vacío FESTO

Fuente: Elaboración propia

3. Metodología

Para la conexión de la interfaz LabVIEW - Arduino se despliegan los pasos a seguir en la Figura 5 con el propósito de identificar la estructura con la que se podrán llevar a cabo los objetivos planteados en este proyecto.

Inicio

Recopilación información relacionada con el

proyecto

LabVIEW Arduino

Máquina de Vacío Festo

Realizar conexión

No Complementos

Real- Time

VI Package Manager Cambio panel de

conexiones

2

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Página 9 de 52 Figura 5. Diagrama de metodología

Fuente: Elaboración propia Si

Diseño programa para movimiento Máquina de Vacío

Festo

Conexión maquina FESTO con

interfaz No

Si 1

Ejecución del diseño cumpliendo secuencia

Implementación función interfaz LabVIEW-Arduino Verificación conexión y secuencia realizada

Fin Llevar a cabo interfaz

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3.1 Ajuste de la Máquina

Para el funcionamiento de la Máquina de vacío, fue necesario realizar una adecuación del sistema de conexiones con el fin de facilitar la conexión final y mejorar su aspecto físico.

3.1.1. Rediseño panel conexión Máquina de vacío FESTO

La Máquina de vacío FESTO cuenta con un panel de conexiones en el que se pueden observar los siguientes elementos: un interruptor termo-magnético que actúa como la protección; un paro de emergencia que apaga el proceso en cualquier momento, un selector el cual me indica si el sistema funciona con tensión AC y DC o solamente con tensión DC, un pulsador que activa el sistema y las borneras de conexiones de los relés, los sensores y las electroválvulas. En la Figura 6 se puede apreciar el esquema original del panel.

Figura 6. Vista frontal Panel de conexión

Fuente: Ramirez, L. Torres, J. 2012. Adecuación del Sistema de vacío FESTO Perteneciente Al Laboratorio De Automatización Y Control (Le-Mc-01)

En la Figura 7 se muestra el panel ya instalado que permitirá el funcionamiento del brazo FESTO.

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Página 11 de 52 El diseño de este panel se realizó para que las conexiones de alimentación, los relés, las electroválvulas y los sensores se hicieran en la parte frontal del mismo, sin embargo, no se tuvo en cuenta que esta conexión resulta ser demasiado dispendiosa y de bastante cuidado ya que al ajustar un conector en la bornera equivocada, no se logrará el movimiento de la máquina o en el peor de los casos, es posible dañarla. En la Figura 8 se observa la conexión final.

Figura 8. Conexión Máquina FESTO Fuente: Elaboración propia

Por tal motivo, se llega a la conclusión de realizar un rediseño de este panel, que permita facilitar la conexión total de la Máquina de vacío. Este nuevo diseño dejó en la parte frontal al igual que en el anterior esquema; la protección termo-magnética, el selector de tres posiciones, el paro de emergencia y el pulsador, y se enfocó en simplificar la conexión de los relés, los sensores y las electroválvulas dejando únicamente las borneras de las salidas de los mismos, la alimentación de 24 VDC y de 120V y las entradas - salidas respectivas del sistema que también pueden ir conectadas a un PLC. En la Figura 9 se muestra el diseño final del panel de conexiones.

Figura 9. Rediseño Panel de conexiones Máquina FESTO Fuente: Elaboración propia

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Página 12 de 52 Figura 10. Nuevo Panel de conexiones Máquina FESTO

Finalmente se hace la instalación del panel en la base dispuesta para este y se realiza la correcta conexión de los elementos. Internamente queda la conexión de alimetación de 120V de los relés y la alimentación de 24 VDC de los sensores y las electroválvulas, de tal manera que en la parte frontal se observe únicamente las conexiones de salidas de los elementos y las entradas - salidas que van directamente al PLC ó en este caso específico, al Arduino MEGA.

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3.1.2. Conexión panel

En la Figura 12 se observa la conexión final ubicada al respaldo del panel, la cual cumple con los requisitos eléctricos establecidos para su correcto funcionamiento.

Figura 12. Conexión interna del Panel Fuente: Elaboración propia

3.2 Automatización de la Máquina

Para llevar a cabo un correcto control automático de la Máquina de vacío FESTO fue necesario tener en cuenta el procedimiento que se expone a continuación para lograr el diseño de la interfaz y el apropiado funcionamiento de la misma.

3.2.1. Conexión LabVIEW - Arduino

Para lograr una comunicación entre LabVIEW y Arduino se debe contar con los siguientes elementos y/o programas:

 Placa Arduino  Software Arduino  Software LabVIEW  VI Package manager

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Se abre un listado en el cual es necesario seleccionar la versión de LabVIEW con la que se cuenta, en este caso se tiene la versión 2017.

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Aparecerá la siguiente

ventana en la cual se da click en la opción “Install” tal como se muestra en la Figura __. Este es el paquete que permitirá manipular la placa Arduino desde LabVIEW.

Una vez realizada la instalación de todos los programas que se requieren y mencionados como requisito, el siguiente paso será crear la conexión entre Arduino y LabVIEW, a continuación se muestra como ubicar el programa que se debe cargar a la tarjeta Arduino para poder manejarlo desde LabVIEW.

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Página 16 de 52 Se selecciona Este

equipo y luego Disco local (C:)

Se busca y se

ingresa a la carpeta Archivos de

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Página 17 de 52 Se ubica la

carpeta National Instruments y se selecciona la

versión de

LabVIEW instalada.

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Al abrir la carpeta de la

versión de LabVIEW 2017, se escoge la opción vi.lib.

En vi.lib se selecciona la opción

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Página 19 de 52 Se ubica la opción Firmware, en la cual se encuentra el programa objeto para este proyecto llamado LIFA_Base.

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Página 20 de 52 Por último se

escoge la opción LIFA_Base que es la librería que

permite la

comunicación entre LabVIEW y Arduino.

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De igual manera, se selecciona el puerto del computador en el cual se encuentra conectado el Arduino, en este caso el COM 6.

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Página 22 de 52 Terminada la conexión y programación del Arduino, se continúa con la elaboración de la programación gráfica en LabVIEW. Se debe tener en cuenta que cada bloque del paquete de Arduino instalado en LabVIEW, representa una función igual al lenguaje de Arduino.

4. Diseño y construcción

En esta sección se describen los elementos y bloques usados en la programación de la máquina de Vacío FESTO que se encuentran en el panel frontal de LabVIEW y la construcción del modelo lógico en la interfaz de LabVIEW - Arduino

4.1 Descripción Bloques de Arduino en LabVIEW

A continuación se describen los bloques y controles usados en la programación gráfica de LabVIEW en función de Arduino.

NOMBRE BLOQUE DESCRIPCIÓN

INIT

Bloque de Arduino que inicializa y abre la conexión en LabVIEW.

VISA RESOURCE

Bloque control de INIT que permite seleccionar el puerto COM al cual está conectado el Arduino para iniciar la comunicación desde el PC.

TIPO DE CONEXIÓN Y

TIPO DE

TARJETA

Controles del bloque INIT en los que se configura el tipo de conexión y el tipo de tarjeta Arduino que se utilizará.

SET DIGITAL PIN MODE

Bloque que permite establecer la conexión del pin digital que será usado en la tarjeta Arduino.

PIN MODE Y DIGITAL I/O PIN

Controles del pin digital que permiten configurar el modo de pin que se requiere ya sea como entrada o salida y así mismo en número de pin a usar en la tarjeta.

DIGITAL READ PIN

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Página 23 de 52 CONTROL DE

VALOR

Esta conexión permite limitar el valor de lectura que captará la tarjeta Arduino.

DIGITAL WRITE PIN

Bloque que permite identificar la escritura del valor de un pin digital de salida de la tarjeta Arduino. Tiene un control que indica el número de pin a usar y otro que convierte un valor Booleano FALSO o VERDADERO en un entero de 16 bits con un valor de 0 o 1, respectivamente.

CLOSE

Bloque de Arduino que cierra la conexión en LabVIEW.

Tabla 1. Descripción Bloques Arduino

4.2 Configuración Arduino en LabVIEW

Antes de ejecutar el proyecto de LabVIEW con el Arduino conectado se debe tener en cuenta que se debe asignar el tipo de tarjeta Arduino con la que el usuario va a trabajar y el puerto COM del computador al cual se conectará.

 Asignacion tipo de tarjeta Arduino: La configuración para comunicar Arduino con LabVIEW se realiza mediante el bloque Board Type, control de inicialización y conexión de Arduino en LabVIEW. Por medio de este bloque se realiza la asignación de la tarjeta que el usuario utilizará para la elaboración de un proyecto, en este caso se selecciona MEGA 2560 como tipo de tarjeta Arduino ya que cumple con los requisitos para el desarrollo del programa.

En la Figura 13Figura 13 se muestra el bloque del panel frontal en el que se despliegan las opciones para seleccionar el tipo de tarjeta. A la izquierda de la Figura se muestra el equivalente del bloque en la ventana de diagrama de bloques.

Figura 13. Bloque Arduino - Tipo de Placa Fuente: Elaboración propia

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Figura 14. Puerto COM Fuente: Elaboración propia

Después de cumplir con las configuraciones descritas anteriormente para la comunicación de la interfaz se podrá ejecutar el programa. Se debe tener en cuenta que si el programa se ejecuta normalmente se evidencia que los leds Rx y Tx de la tarjeta Arduino parpadean simultáneamente, si por lo contrario solo parpadea uno de ellos (generalmente Rx), esto significa que se presenta una mala conexión, por lo que se recomienda cerrar LabVIEW y abrir nuevamente el proyecto, verificar que todo esté en orden, hasta lograr que los 2 leds parpadeen.

4.3 Implementación Bloques Arduino para comunicación con LabVIEW

Especificada la función y configuración de los bloques Arduino se procede a realizar el circuito que permite la comunicación de las entradas y salidas asignadas en el programa para la conexión de la tarjeta Arduino desde la plataforma de LabVIEW.

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Página 25 de 52 Figura 16. Conexión salida Arduino en Diagrama de Bloques LabVIEW

5. Algoritmo de programación

El funcionamiento de la Máquina de vacío requiere de la elaboración de un programa que cumpla con ciertos parámetros, en los ítems se detallan los elementos que fueron necesarios en esta construcción.

5.1 Descripción bloques requeridos en LabVIEW

En el diagrama de bloques en el momento de diseñar el circuito se debe tener en cuenta los siguientes bloques para la simulación:

 Para la simulación del circuito lógico se usa la función while que cuenta con una condición para iterar, es importante utilizar un dispositivo que permita identificar el cambio de estado de la señal de reloj por lo que se incluye un led como se muestra en la Figura 17.

Figura 17. Función While Fuente: Software LabVIEW

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Página 26 de 52 Figura 18. Señal de Reloj

Fuente: Software LabVIEW

 Circuito Flip Flop de dos estados que sirve para memorizar información y transferir datos digitales en operaciones de lógica secuencial como la usada en la simulación ya que se incluyen temporizadores. Ver Figura 19.

Figura 19. Flip Flop Fuente: Software LabVIEW

 El siguiente complemento indica al circuito Flip Flop que cada 50 mili-segundos se genera un cambio de flanco, como se ilustra en la Figura 20.

Figura 20. Cambio de flanco Fuente: Software LabVIEW

 En la conexión de las compuertas lógicas, LabVIEW tiene el limitante de un máximo de dos entradas por cada compuerta AND u OR a usar, por lo cual se hace una conexión en cascada como se muestra en la Figura 21.

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Página 27 de 52 Para la verificacion del proceso de producción de la simulación se requiere de entradas temporizadas, para esto se empleó el módulo Real-Time en el que se encuentran bloques que emulan la función de temporizadores al trabajo y al reposo.

 El bloque de temporizador al trabajo que se muestra en la Figura 22, comienza a temporizar cuando se energiza y cambia de estado al terminar de contar.

Figura 22. Temporizador al Trabajo Fuente: Software LabVIEW

 El bloque de temporizador al reposo mostrado en la Figura 23, es aquel que al ser energizado cambia su estado, al desenergizarse empieza a contar y cambia de nuevo su estado al terminar de contar.

Figura 23. Temporizador al Reposo Fuente: Software LabVIEW

5.2 Programa funcionamiento de la Máquina en lenguaje LADDER

LabVIEW es un entorno de programación destinado al diseño de aplicaciones de monitoreo de procesos, sistemas de medición y aplicaciones de control, ofreciendo un entorno gráfico de programación a diferencia de otros sistemas como el software Zelio Soft que permite crear una secuencia de pasos programado en lenguaje BDF o LADDER.

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Página 28 de 52  Hoja de cableado

 Comando de las entradas

 Comando de relés auxiliares

 Comando de las salidas

 Comandos de teclas Z

En el esquema del programa se observa el uso del comando relés auxiliares, ya que estos se comportan como memorias, las cuales guardan la información de la línea respectiva para su uso en cualquier otra línea, cumpliendo con las condiciones que se establecieron para la activación de las salidas. Una característica importante que se observa en el esquema de conexiones es el uso de SET y RESET los cuales permiten establecer la conexión y reiniciar o terminar el ciclo respectivamente según lo que se desee programar, estos se identifican acompañando al inicio del nombre de los comandos con la letra S y/o R como se observa en la columna bobina en la hoja de cableado

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Página 29 de 52 Tabla 2. Variables Entradas

Fuente: Software Zelio Soft

Tabla 3. Variables Salidas Fuente: Software Zelio Soft

Tabla 4. Variables botones de mando Fuente: Software Zelio Soft

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Página 30 de 52 Figura 24. Programa Máquina de vacío en Zelio Soft LADDER

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5.3 Máquina de vacío FESTO

La Máquina FESTO cuenta con ciertos elementos que hacen posible su movimiento, a continuación se hace una breve explicación de su funcionamiento.

5.3.1. Ubicación sensores, electroválvulas y actuadores

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1. Actuador

AE

3. Actuador

AB

5. Actuador AD

7. Electroválvula

Va

9. Electroválvula

Vcd

2. Actuador

AA

4. Actuador

AC

6. Electroválvula

Vb

8. Electroválvula

Ve

10.Electroválvula

Venturi

Figura 28. Vista superior con identificación de electroválvulas y actuadores

Donde,

 Electroválvula actuador AA: Saca disco  Electroválvula actuador AB: Troquela

 Electroválvula actuador AC: Traslada el carro hasta la zona de ventosa y baja el brazo (operan de manera simultánea)

 Electroválvula actuador AD : Gira el brazo hacia el dispensador  Electroválvula AE: Activa ventosa para que tome el disco

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Página 35 de 52 Figura 29. Vista frontal con identificación de sensores

Fuente. Elaboración Propia

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Página 36 de 52 Donde,

 Sa0: Sensor posición actuador A (cuando actuador A no saca disco)  Sa1: Sensor posición actuador A (cuando actuador A saca disco)

 Sa2: Sensor detector de disco en el dispensador (cuando hay disco en el dispensador)

 Sb0: Sensor detector de disco en la zona de troquelado (cuando detecta disco en zona de troquelado)

 Sc0: Sensor posición actuador C en zona de troquel (cuando el carro se encuentra en la zona de troquel)

 Sc1: Sensor posición actuador C en zona de ventosa (cuando el carro está en la zona de ventosa)

 Sd0: Sensor posición superior actuador D (posición superior actuador D)  Sd1: Sensor posición inferior actuador D (posición inferior actuador D)

 Se0: Sensor posición actuador E, brazo hacia la zona de captura de disco (posición hacia la zona de captura de disco)

 Se1: Sensor posición actuador E, brazo hacia la zona de dispensador (posición hacia la zona de dispensador)

 S1: Cuando se acciona, el sistema se activa

5.4 Descripción secuencia de producción

El primer movimiento que realiza el sistema es el desplazamiento de un actuador giratorio ubicado en el dispensador, el cual empuja un disco de metal. El actuador se puede reconocer en el sistema como actuador AA.

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Página 37 de 52 El disco es desplazado a la zona de troquel en el que se activan el actuador AB en el que se genera un movimiento vertical del cilindro desplazando un vástago simulando un troquelado en el disco de metal.

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Página 38 de 52 Los dos actuadores descritos anteriormente realizan un movimiento simultáneo ya que están controlados por la misma electroválvula.

Por último, la aspiración de la ventosa la cual basa su funcionamiento en el principio de Venturi (de presión), utilizando aire comprimido en su entrada, aumenta la velocidad del aire produciendo una presión o succión, sistema incorporado en el brazo para sujetar el disco y transportarlo de nuevo a la zona del dispensador. Este procedimiento se realiza con un movimiento rotacional que hace el brazo como desplazamiento final del ciclo de la secuencia de producción, se puede reconocer en el sistema como actuador AE.

6. Resultados

La interfaz LabVIEW- Arduino se realizó cumpliendo con todos los pasos propuestos, desde la instalación de los programas requeridos e implementación de librerías, hasta la consulta de la función de cada uno de los bloques que se necesitaron para el diseño de la programación del control de la máquina de vacío FESTO.

6.1 Programa funcionamiento de la Máquina Compuertas Lógicas

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Página 40 de 52 Figura 32. Programa Máquina de vacío en compuertas lógicas LabVIEW

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Página 41 de 52 Ya creado el programa de control de la Máquina de vacío FESTO, un aspecto importante que se ejecutó para el desarrollo del proyecto, se basó en el cambio del panel de conexiones de la máquina con el objetivo de crear un entorno más seguro en el momento de realizar las respectivas conexiones a la Tarjeta Arduino. Después de contar con el panel de conexiones nuevo se llevó a cabo la revisión del buen funcionamiento de los sensores y las electroválvulas para finalmente comprobar que el programa de control realizado en la interfaz LabVIEW – Arduino fue exitoso.

En la Figura 33 se muestra la interfaz gráfica final que se diseñó, para lograr la interacción hombre – máquina al poder controlar los tiempos de los temporizadores en la etapa de verificación, además es posible observar los botones de control y la activación - desactivación de los sensores y electroválvulas de la Máquina de vacío.

Figura 33. Interfaz gráfica Máquina de vacío Fuente: Elaboración propia

6.1.1. Descripción de controles, entradas y salidas del programa

El programa cuenta con unos botones de mando que son fundamentales, ya que dan a la interfaz ciertas órdenes que permiten el funcionamiento de la Máquina de vacío FESTO. A continuación se dará una descripción de cada uno de ellos para tener una percepción más clara de su operación.

 IB: Pulsador que activa el sistema desde el panel de conexiones (S1), sin la activación de este comando, no se podrá ejecutar nada en la máquina.

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Página 42 de 52 Z1: Se encarga de la verificación y activación de los actuadores (salidas del programa) cumpliendo la siguiente secuencia automática sin la presencia del disco:

Figura 35. Botón de mando 1 Fuente: Software Labview

 Electroválvula actuador AA: Saca disco  Electroválvula actuador AB: Troquela

 Electroválvula actuador AC: Traslada el carro hasta la zona de ventosa y baja el brazo (operan de manera simultánea)

 Electroválvula AE: Activa ventosa para que tome el disco  Electroválvula actuador AD : Gira el brazo hacia el dispensador

Z2: Ordena el inicio de la secuencia de producción detectando por medio de los sensores (entradas del programa), un disco en el dispensador cumpliendo con las siguientes condiciones:

 Con la activación de los sensores Sa0 (cuando el actuador no saca disco), Sa2 (cuando hay disco en el dispensador) y Se0 (posición hacia la zona de captura de disco) el actuador AA saca el disco hacia la zona de troquelado

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Página 43 de 52  Se activan entonces los sensores Sa1 (cuando actuador saca disco del

dispensador), Sb0 (cuando detecta disco en zona de troquelado), Sc0 (cuando el carro está en la zona de troquel) y el actuador AB realiza un troquel de aproximadamente 3 segundos.

Figura 38. Activación sensores y electroválvula actuador AB Fuente: Elaboración propia

 Luego de este proceso, detectan los sensores Sb0 (cuando detecta disco en zona de troquelado), Sd0 (posición superior actuador D), Se0 (posición hacia la zona de captura de disco y el actuador ACD traslada el carro hasta la zona de ventosa.

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Página 44 de 52  Ahora se activan los sensores Sb0 (cuando detecta disco en zona de troquelado),

Sc1 (cuando el carro está en la zona de ventosa), Sd1 (posición inferior actuador D) y el actuador AV activa la ventosa y toma el disco

Figura 40. Activación sensores y electroválvula actuador AV Fuente: Elaboración propia

 Finalmente, con la activación de los sensores Sd0 (posición superior actuador) y Se1 (posición hacia la zona de dispensador), el actuador AE gira el brazo hacia el dispensador.

Figura 41. Activación sensores y electroválvula actuador AE Fuente: Elaboración propia

Z3: Al oprimir este botón, la producción se detiene, si existe un disco en proceso, se debe terminar el ciclo hasta llegar al dispensador

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Página 45 de 52 Z4: Esta opción se encarga de realizar un Reset del sistema, después de ejecutado este mando, se puede llevar a cabo de nuevo la verificación y la producción.

Board Type: Bloque de control de inicio (INIT) en el que se configura el tipo de tarjeta Arduino que se utilizará para el desarrollo de un proyecto.

Figura 44. Board Type Fuente: Software LabVIEW

VISA Resource: Bloque control de inicio (INIT) que permite seleccionar el puerto COM al cual está conectado el Arduino para iniciar la comunicación desde el PC, se hace referencia a dos bloques ya que uno pertenece a las entradas y el otro a las salidas del programa.

Figura 45. Visa Resource Fuente: Software LabVIEW

Preset Time: Control que permite al usuario ingresar el tiempo en mili-segundos de los temporizadores que se encargan de la verificación inicial al pulsar el botón Z1.

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6.2 Programa Máquina de vacío FESTO como Emulador

El proyecto ofrece a los estudiantes que no cuentan con una tarjeta Arduino la posibilidad de interactuar con las funciones de la máquina de vacío, en la que se visualiza la activación de las electroválvulas que son las que evidencian el buen funcionamiento y ciclo de producción para la cual está diseñada. Este Emulador permite dar encendido a los sensores manualmente, simulando el proceso de la máquina por medio de los mandos que el estudiante seleccione, por lo cual de él dependerá que las electroválvulas se enciendan según lo propuesto en el documento.

El objetivo de este emulador es convertirse en una herramienta que permita a los estudiantes familiarizarse con el funcionamiento de la máquina de una manera didáctica y así realizar la programación del control con más claridad y minimizando errores.

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7. Conexión Interfaz – Máquina de vacío FESTO

Para la conexión que se realizó con el fin de obtener el correcto funcionamiento de la Máquina de vacío se hizo necesario la implementación de los siguientes elementos:

 Relé: Es básicamente un interruptor operado eléctricamente, es decir, se alimenta su bobina y el campo electromagnético creado hace cambiar de estado sus contactos.

Figura 48. Relé

Fuente: Qianji. https://es.aliexpress.com/item/Qianji-t73-12v-jqc-3-f-relay-blue/1217130468.html

Fue indispensable el uso de estos relés debido a que los sensores al ser alimentados a 24 VDC no podían ser conectados directamente al Arduino ya que este puede ser alimentado a una tensión máxima de 5VDC. Los sensores alimentan la bobina y los contactos son accionados, el común se alimenta con una fuente de 5VDC y el contacto normalmente abierto va conectado a la entrada asignada del Arduino MEGA.

 Bloque de relés Arduino: Este elemento permitió la conexión del Arduino con las electroválvulas puesto que el Arduino al tener una tensión máxima de salida de 5VDC no podía alimentar las electroválvulas y estas a su vez no podrían realizar las órdenes asignadas en la programación. Se realiza un puente a los comunes y se alimentan con los 24VDC de la Máquina de vacío FESTO y el contacto normalmente cerrado se dirige a cada una de las electroválvulas.

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Página 48 de 52 Figura 49. Bloque de relés

Fuente: Prometec. https://www.prometec.net/optoacopladores/

7.1 Esquema de conexión

La conexión final para el funcionamiento de la máquina de vacío FESTO se representa en la Figura 50, donde se muestra cada uno de los componentes que se implementaron para cumplir con lo propuesto en este proyecto.

En la Figura 51 se detalla la conexión interna, la cual permite la conversión de tensiones facilitando el uso del Arduino, el micro-controlador que se usó para dar marcha a la máquina ya descrita.

Común Contacto

NC Contacto _NO

Tierra Arduino

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Página 49 de 52 Figura 50. Esquema de conexión externa

COLOR

CABLE NOMBRE

I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11

ENTRADAS

COLOR

CABLE NOMBRE

AA AB ACD

AE AV

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Página 50 de 52 Figura 51. Esquema de conexión Interna

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8. Conclusiones

 Se demostró la viabilidad de realizar la implementación de una Interfaz que permitiera la comunicación entre LabVIEW y Arduino, y con ella la construcción de un programa en compuertas lógicas en un entorno agradable y de fácil interpretación para los estudiantes como lo es el software LabVIEW con el que se logró el control automático de la Máquina de vacío FESTO.

 La Interfaz realizada proporcionó las herramientas necesarias para la elaboración de un manual de instrucciones que suministra al usuario la información, los elementos requeridos y el paso a paso para lograrla y así poder desarrollar diferentes proyectos de automatización.

 LabVIEW facilita la incorporación de imágenes y diferentes complementos lo que permitió el desarrollo de una interfaz gráfica en la que se puede visualizar la activación y desactivación de los elementos que componen la Máquina de vacío FESTO.

 Gracias a esta interfaz se logró comprobar que es posible programar Arduino como una estrategia de control para los procesos de automatización de pequeña escala y de aplicaciones académicas.

 El uso de esta herramienta facilita la manipulación del software LabVIEW creando una interacción de manera gráfica y en la que se fortalecen los conocimientos relacionados con el control y la automatización, aspectos que son importantes para el desarrollo de la carrera respecto a las asignaturas afines. Al mismo tiempo este material permite a los estudiantes familiarizarse con el software ya que se encuentra disponible en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

9. Bibliografía

[1] “¿Qué es la automatización de procesos?” [Online]. Available: https://es.over-blog.com/Que_es_la_automatizacion_de_procesos-1228321767-art127041.html. [Accessed: 31-Oct-2017].

[2] “¿Qué es Arduino? ~ Arduino.cl.” [Online]. Available: http://arduino.cl/que-es-arduino/. [Accessed: 31-Oct-2017].

[3] “LabVIEW - National Instruments.” [Online]. Available: http://www.ni.com/es-mx/shop/labview.html. [Accessed: 24-Nov-2017].

[4] “LabVIEW 2017 Real-Time Module Readme - National Instruments.” [Online]. Available: http://www.ni.com/pdf/manuals/374714g.html. [Accessed: 24-Nov-2017]. [5] “VI Package Manager - National Instruments.” [Online]. Available:

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Página 52 de 52 [6] “LabVIEW Interface for Arduino | VI Package Manager.” [Online]. Available:

https://vipm.jki.net/package/national_instruments_lib_labview_interface_for_arduino . [Accessed: 28-Nov-2017].