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MODELADO E IMPLEMENTACIÓN DE LA TINCIÓN DE GRAM.
Trabajo de grado Número 0974
Vladimir Camilo Ducon Sosa Jaime Darío Rincón Ravelo
PROYECTO DE GRADO PRESENTADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO
DIRECTOR:
INGENIERO CARLOS NORBERTO PEREZ MONTENEGRO PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTA D.C
NOVIEMBRE DE 2010
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
RECTOR MAGNÍFICO: R. P. JOAQUÍN SÁNCHEZ S.J
DECANO ACADÉMICO: ING. FRANCISCO JAVIER REBOLLEDO MUÑOZ DECANO DEL MEDIO UNIVERSITARIO: R.P. SERGIO BERNAL S.J.
DIRECTOR DE DEPARTAMENTO: ING. JORGE LUIS SÁNCHEZ DIRECTOR DE CARRERA: ING. JUAN MANUEL CRUZ
DIRECTOR DEL PROYECTO: ING. CARLOS NORBERTO PEREZ MONTENEGRO
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ARTÍCULO 23 DE LA RESOLUCIÓN No. 13 DE JUNIO DE 1946
“La Universidad no se hace responsable de los conceptos emitidos por sus alumnos en sus proyectos de grado.
Sólo velará porque no se publique nada contrario al dogma y la moral católica y porque los trabajos no contengan ataques o polémicas puramente personales. Antes bien, que se vea en ellos el anhelo de buscar la verdad y la justicia”.
Reglamento de la Pontificia Universidad Javeriana.
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Agradecimientos Vladimir Camilo Ducón Sosa Gracias al ingeniero Carlos por su excelente asesoría y por brindarnos su gran conocimiento e importantes ideas en pro del desarrollo de nuestro proyecto. Por su paciencia y persistencia.
A mis Padres y hermanos por su incondicional apoyo y porque siempre creyeron en mi.
A mis compañeros y amigos de la Universidad. Soporte académico y emocional.
A la Universidad, profesores y personal del laboratorio.
Gracias Dios.
Agradezco a Dios y a mis Padres por su constante y paciente acompañamiento, a nuestro director Carlos porque más que un director fue un compañero,
a una persona especial que sabe muy bien quién es y a todos mis amigos que intervinieron para alcanzar este logro.
Jaime
5 Tabla de contenido
INDICE DE FIGURAS ... 7
INDICE DE TABLAS ... 9
INDICE DE ANEXOS ... 10
1. INTRODUCCION ... 11
2. MARCO TEORICO ... 12
2.1 Tinción simple y diferencial de bacterias... 12
2.1.1 Tinción de Gram ... 12
2.2 Control con dispositivos digitales ... 15
2.2.1 Control Digital... 16
2.2.2 Discretización control ... 16
3. ESPECIFICACIONES ... 19
3.1 Requerimientos del sistema ... 19
3.1.1Especificaciones de la plataforma ... 19
3.2 Entradas y salidas del sistema ... 20
3.2.1 Entradas ... 20
3.2.2 Salidas ... 21
3.3 Operaciones de la plataforma ... 22
3.4 Esquema General. ... 22
4. DESARROLLO ... 23
4.1 Modelado del proceso... 24
4.1.1 Proceso de Tinción de Gram ... 24
4.2 Desarrollo de la Plataforma ... 25
4.2.1 Diseño ... 26
4.2.2 Fabricación ... 28
4.2.3 Materiales ... 29
4.3 Hardware ... 30
4.3.1 Motor Henkwell DC HG37D670WE12_052 ... 30
4.3.2 Caracterización del motor ... 30
4.3.3 Bombas de aplicación ... 39
4.3.4 Puente H ... 41
4.3.5 PIC18f8722 y tarjeta ET-BASE PIC8722 ... 41
4.3.6 Encoder ... 43
4.3.7 Sensor de final de carrera ... 44
4.4 Control de posición ... 44
4.4.1 Modelo matemático motor Henkwell DC HG37D670WE12_052 ... 45
4.4.2 Respuesta paso lazo abierto ... 49
6
4.4.3 Respuesta paso lazo cerrado ... 50
4.4.4 Escogencia del tipo de controlador ... 52
4.4.5 Diseño del controlador ... 53
4.5 Software ... 61
4.5.1 Diagrama de Flujo ... 61
4.5.2 Descripción del código ... 62
5. ANALISIS DE RESULTADOS ... 63
5.1 Protocolo de pruebas ... 63
5.1.1Pruebas en el laboratorio ... 65
5.1.2 Pruebas con la Plataforma ... 65
5.2 Pruebas de desempeño del control ... 66
6. Conclusiones ... 68
BIBLIOGRAFIA ... 70
7 INDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Tinción simple ... 12
Figura 2.2 Tinción negativa ... 12
Figura 2.3 Pared bacteriana Gram-positivas y Gram-negativas ... 13
Figura 2.4 Técnica tinción de Gram ... 14
Figura 2.5 Esquema de Sistema Controlado por Dispositivo Digital ... 16
Figura 3.1 Esquema de principio de funcionamiento. ... 20
Figura 3.2 Disposición espacial ... 21
Figura 3.3 Señal encoder de cuadratura ... 21
Figura 3.4 Conexión bombas y motor... 22
Figura 3.5. Sujetador muestras ... 22
Figura 3.6 Esquema general de conexiones. ... 23
Figura 4.1 Vista superior Plataforma ... 26
Figura 4.2 Contenedores y base ... 27
Figura 4.3 Carcaza ... 28
Figura 4.4 Base para motor y desnivel ... 28
Figura 4.5 Plataforma Autocad ... 28
Figura 4.6 Fotografía plataforma ... 30
Figura 4.7 Voltaje vs frecuencia... 32
Figura 4.8 Modelo Eléctrico motor ... 32
Figura 4.9 Modelo (velocidad angular cero) ... 32
Figura 4.10 Diagrama Equivalente (w=0) ... 33
Figura 4.11. Diagrama PWM... 33
Figura 4.12 Conexión señal PWM-Motor ... 34
Figura 4.13 Respuesta paso circuito RL. a) Respuesta en corriente; b) Respuesta en voltaje .. 34
Figura 4.14 Respuesta en corriente base de tiempo 10ms ... 35
Figura 4.15 Respuesta en corriente base de tiempo 250us ... 35
Figura 4.16 Respuesta en corriente base de tiempo 50us ... 35
Figura 4.17 Inercia cilindro ... 37
Figura 4.18 Inercia Paralelepípedo ... 38
Figura 4.19 Acople cilindro-brazo ... 39
Figura 4.20 Bomba lavaparabrisas universal ... 40
Figura 4.21 Bomba lavaparabrisas ... 40
Figura 4.22 Bomba de combustible Bosch ... 40
Figura 4.23 L 6203 DMOS Full Bridge Driver ... 41
Figura 4.24 ET base pic8722 ... 42
Figura 4.25 Vista superior tarjeta de desarrollo... 43
Figura 4.26 Encoder ... 43
Figura 4.27 Switch final de carrera... 44
Figura 4.28 Modelo Electromecánico del motor ... 45
Figura 4.29 Diagrama en bloques con controlador ... 49
Figura 4.30 Diagrama Señal puente H motor ... 50
Figura 4.31 Repuesta paso lazo abierto ... 50
Figura 4.32 Realimentación negativa ... 51
Figura 4.33 Respuesta paso lazo cerrado ... 52
8
Figura 4.34 Diagrama de polos y ceros (plano s) ... 53
Figura 4.35 Diagrama de bloques planta y control ... 55
Figura 4.36 Respuesta del sistema ... 56
Figura 4.37 Diagrama Simulink controlador continuo ... 56
Figura 4.38 Controlador análogo ... 57
Figura 4.39 Resultado simulación control análogo (posición vs tiempo) ... 57
Figura 4.40 Diagrama Simulink discretización ... 58
Figura 4.41 Discretización del controlador ... 58
Figura 4.42 Resultado para tiempo de muestreo 5ms (posición vs tiempo)... 58
Figura 4.43 Resultado para tiempo de muestreo 50ms (posición vs tiempo) ... 59
Figura 4.44 Resultado para tiempo de muestreo 100ms (posición vs tiempo) ... 60
Figura 4.45 Diagrama de flujo maquina de estados ... 62
Figura 4.46 Diagrama de flujo manejo de la posición del motor ... 63
Figura 5.1 Cepas Bacterianas ... 64
Figura 5.2 Laboratorio de Microbiología ... 65
Figura 5.3 Fotografía Plataforma ... 66
Figura 5.4 Respuesta lazo cerrado ... 67
Figura 5.5 Respuesta lazo cerrado, prueba real ... 67
9 INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Etapas tinción de Gram ... 14
Tabla 2. Resumen protocolo tinción de Gram ... 19
Tabla 3. Entradas del sistema ... 20
Tabla 4. Salidas del sistema ... 21
Tabla 5. Operaciones del prototipo ... 22
Tabla 6. Protocolo tinción de Gram ... 24
Tabla 7. Modelado del protocolo de la tinción de Gram ... 25
Tabla 8. Voltaje vs Frecuencia ... 31
Tabla 9. Resistencia de Armadura (Ra) ... 33
Tabla 10. Características del motor ... 37
Tabla 11. Características bomba de combustible Bosch ... 40
Tabla 12 Constantes electromecánicas del motor ... 48
Tabla 13 Características del sistema ... 54
Tabla 14 Valores característicos del sistema ... 56
Tabla 15. Comparación modelo vs prueba ... 68
10 INDICE DE ANEXOS
ANEXO 1 Especificaciones motor DC ANEXO 2 Archivos Matlab ANEXO 3 Programa MPLAB ANEXO 4 Tabla Resultados ANEXO 5 Comparación Control ANEXO 6 Videos ANEXO 7 Fotografías
11 1. INTRODUCCION
La tinción o coloración de Gram, técnica ideada por el Dr. Hans Gram (1) en el año de 1884, consiste en un método de identificación de microorganismos mediante un tratamiento con colorantes determinados. Este método permite la diferenciación de los microorganismos en dos grupos: Gram positivos y Gram negativos. Se basa en la diferencia del color de las membranas de las células sometidas al proceso de tinción. (2)
Este método ha sido y es en la actualidad, constantemente usado en microbiología pues es un proceso básico en la caracterización de bacterias convirtiéndolo así en una herramienta fundamental en el desarrollo de la academia y en el avance de la microbiología, tanto así que a través de este proceso de tinción se han realizado clasificaciones serias de microorganismos utilizadas a nivel clínico e industrial. En la cotidianidad es el método de mayor facilidad técnica, además más rápido y económico, comparado frente a métodos como medios de cultivo cromógenos, pruebas antígeno-anticuerpo (ELISA), PCR (Polymerase Chain Reaction) y electroforesis que aunque más específicos, requieren mayores inversiones de tiempo, económicas, y técnicas. (3)
Dada la importancia de este método, ampliamente usado en la industria, en la medicina y en la academia. Por ejemplo dentro de instituciones universitarias tales como la Javeriana, es método básico en la formación de profesionales del área de la salud y las ciencias biológicas; por tanto se crea la necesidad de dar a este método tecnología, precisión y velocidad, características que pueden ser adquiridas a través del diseño ingenieril y electrónico de un dispositivo. (2) (4) El modelado e implementación de este método de tinción, se hace posible gracias a que es una técnica estandarizada y que no ha sufrido modificaciones desde su introducción en 1884. (1) Además por ser un proceso secuencial, permite la aplicación de los conocimientos de control adquiridos en la carrera para la implementación del mismo.
La implementación de este proceso se encamina a la reducción en gran medida del error debido a las manipulaciones humanas, que reducen la efectividad y eficiencia del proceso, ya que en este intervienen diferentes variables, indispensables para el buen curso del mismo, que al ser manipuladas manualmente están sujetas a grandes cambios que son perjudiciales para los resultados finales.
También es importante resaltar que la implementación de este tipo de procesos reduce costos de manera importante en cuanto al ahorro de los recursos que este necesite, sin reducir la efectividad en los resultados.
Este documento refleja el procedimiento que se ha llevado a cabo para la consecución de los objetivos propuestos en el proyecto de grado “MODELADO E IMPLEMENTACION DE LA TINCION DE GRAM”. Donde se construyó una plataforma electromecánica que realiza automáticamente el procedimiento de la Tinción de Gram por medio de dispositivos digitales.
Se comienza con una descripción teórica desde los conceptos preliminares de la Tinción de Gram, para lograr obtener el conocimiento necesario del proceso y así mismo proponer una aproximación de la plataforma. A partir de los conocimientos se realiza un análisis para identificar a plenitud las diferentes variables que intervienen en el proceso, esta información en específico se encuentra en la sección 2.1. Dentro del capítulo de Marco Teórico también se hace una breve descripción y un reconocimiento del control por dispositivos digitales (sección 2.2 Control con dispositivos digitales) como herramienta fundamental en el desarrollo del proyecto.
Los requerimientos y especificaciones de la plataforma se establecen a partir de factores como:
los objetivos del proyecto, análisis de las variables mensurables de la Tinción de Gram y las necesidades de usuarios potenciales. Mediante lo anterior se proponen el principio de
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funcionamiento de la plataforma (secciones 3 y 4.1 Modelado del proceso) y los componentes o elementos necesarios para su construcción (sección 4.2 Desarrollo de la Plataforma). El proceso de diseño y construcción de la plataforma se describe en forma detallada en la sección de desarrollo de la plataforma (secciones 4.2.1 Diseño y 4.2.2 Fabricación).
Al obtener la planta objeto de control, se realizan los respectivos procedimientos de implementación utilizando las simulaciones que permiten realizar el análisis de su comportamiento y la escogencia del tipo de controlador (sección 4.4 Control de posición). La sección de Software contiene la descripción general del algoritmo principal implementado en el dispositivo digital que ejecuta el procedimiento de la plataforma. En la sección de análisis de resultados se hace la comparación entre la respuesta simulada y la respuesta obtenida del sistema (sección 5.2 Pruebas de desempeño del control), también se describe el protocolo de pruebas de la plataforma (sección 5.1 Protocolo de pruebas).
2. MARCO TEORICO
2.1 Tinción simple y diferencial de bacterias
La mayoría de las bacterias no producen pigmentos por sí mismas, lo que las hace poco refráctiles. Esto significa que al usar un microscopio de refracción, que son los de uso más común, su visualización se dificulta, para solucionar este problema las células bacterianas deben ser teñidas y para esto existe una gran variedad de colorantes. Dado que por lo general las bacterias reaccionan frente a los tintes, se plantea que es debido a la composición de las paredes celulares que principalmente se componen de ácidos (acido nucléico, acido polisacárido, proteínas, peptidoglicano, etc.). (5) Otra explicación es que los colorantes tienen una carga positiva, o que son catiónicos, y que son atraídos al citoplasma y la pared celular que tienen cargas negativas (Figura 2.1 Tinción simple Figura 2.2 Tinción negativa). (6)
Figura 2.1 Tinción simple Figura 2.2 Tinción negativa
En las tinciones sencillas las células o su fondo (tinción negativa) son coloreadas con un único colorante, algunos son el Azul de Metileno y el Verde de Malaquita que tiñen de color azul y verde respectivamente, pero existen una gran cantidad de reactivos que pueden ser utilizados como colorantes para una tinción simple.
Las tinciones diferenciales son más complejas e involucran el uso de tintes con diferentes propiedades. Una tinción diferencial puede ser usada para distinguir diferentes tipos de bacterias que son morfológicamente indistinguibles o para visualizar estructuras celulares en particular.
La tinción de Gram es una tinción diferencial.
2.1.1 Tinción de Gram
La tinción o coloración de Gram, técnica ideada por el Dr. Hans Gram en el año de 1884, consiste en un método de identificación de microorganismos mediante un tratamiento con colorantes determinados. Este método permite la diferenciación de los microorganismos en dos grupos: Gram positivos y Gram negativos. Se basa en la diferencia del color de las membranas de las células sometidas al proceso de tinción. (2)
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La tinción de Gram fue desarrollada en un intento por diferenciar las bacterias dentro de las secciones de tejido. El fundamento de este protocolo de tinción, es que ciertas bacterias retienen un colorante complejo (Azul de Metileno o Cristal Violeta) cuando son expuestos a disolventes orgánicos como la Acetona o el Alcohol. El complejo es formado entre el yodo (Lugol) y un colorante de anilina (Cristal Violeta). Los tejidos no retienen este complejo y necesitan de una contra tinción, o tinción de contraste, con un tinte rojo para ayudar a la visualización. Pronto se dieron cuenta que no todas las bacterias retenían el complejo Lugol-Cristal violeta cuando se sometían a la decoloración con Acetona o Alcohol. Aquellas bacterias que retienen el complejo son llamadas Gram-positivas y aquellas que no lo retienen son llamadas Gram-negativas. (Figura 2.3 Pared bacteriana Gram-positivas y Gram-negativas) Esta reacción demuestra una diferencia fundamental en la estructura de las bacterias Gram-positivas y las bacterias Gram-negativas, particularmente respecto a las estructuras de sus paredes celulares, y esto forma la base de muchos esquemas de identificación de bacterias. (6)
Figura 2.3 Pared bacteriana Gram-positivas y Gram-negativas
A pesar del hecho de que la tinción de Gram fue desarrollada hace más de 100 años, su mecanismo de funcionamiento aun no es completamente comprendido. Sin embargo, las bacterias Gram-positivas tienen paredes celulares con una estructura radicalmente diferente a las estructuras de la pared celular de las bacterias Gram-negativas. Las paredes celulares de las bacterias Gram-positivas están compuestas primeramente de varias capas de peptidoglicano, y se piensa que esto ayuda a retener el complejo Lugol-Cristal violeta. En contraste, la pared celular de las bacterias Gram-negativas poseen solo una o dos capas de peptidoglicano y esto resulta insuficiente para retener el complejo Lugol-Cristal violeta. La anterior explicación de la reacción de Gram no resulta completamente satisfactoria. Algunas bacterias tienen una estructura de pared celular que se asemeja a la de una bacteria Gram-positiva, pero después de la tinción de Gram resultan ser Gram-negativas. Del mismo modo arqueobacterias, que con certeza carecen por completo de peptidoglicano en su pared celular, aparecen como Gram- positivas luego de la tinción de Gram. Parte de una célula puede aparecer como Gram-positiva y la restante como Gram-negativa. Estos tipos de bacterias son llamadas Gram-variables y por supuesto estos comportamientos no se pueden explicar por medio de la cantidad de capas de peptidoglicano en las capas de las paredes celulares de las bacterias. (4)
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La tinción de Gram como se mencionó antes, es un tipo de tinción diferencial cuyo protocolo se describe a continuación: se parte de una muestra fijada al calor previamente y seca en una laminilla, a dicha laminilla se le agrega el primer colorante que es una solución de Cristal violeta, en esta etapa, tanto las Gram-positivas, como las Gram-negativas son coloreadas, se deja por un minuto, se enjuaga con agua corriente y se escurre; a continuación, se aplica una solución de yodo denominada Lugol, esta se deja actuar por un minuto, allí se forma el complejo Lugol-Cristal violeta que tiñe ambos tipos de bacterias, a saber, Gram Positivas y Gram-negativas, luego se enjuaga con agua corriente y se escurre; posteriormente se decolora aplicando Alcohol – Acetona, este se deja actuar por 15 segundos, se enjuaga con agua corriente y se escurre. Es en esta etapa donde las células Gram-negativas pierden su coloración y es también un punto crítico del procedimiento de la tinción de Gram. Siendo el Alcohol-Acetona el decolorante de elección, este normalmente reacciona 2 o 3 segundos luego de su aplicación. Si la Acetona se deja sobre la muestra por más tiempo, el complejo Lugol-Cristal violeta será removido tanto de las células Gram-negativas como de las células Gram-positivas, un efecto no deseado. Igualmente si se dejase actuar menos tiempo del necesario, las células Gram-negativas no serán decoloradas y aparecerán siendo enteramente Gram-positivas; el último colorante es el de contraste, llamado Fuccina, éste se deja actuar por un minuto, se enjuaga con agua corriente y se escurre. Este es el llamado colorante de contraste, dado que de la etapa anterior las células Gram-negativas quedan sin color, es necesario darles un color final, diferente al violeta, para diferenciarlas de las células Gram-positivas; ahí finaliza el proceso con un periodo de secado a temperatura ambiente (<50°C). El proceso se resume en la Tabla 1. (4)
Tabla 1. Etapas tinción de Gram
En la siguiente ilustración (Figura 2.4) se aprecia por etapas, la acción del proceso de tinción de Gram sobre las bacterias Gram-positivas y Gram negativas.
Etapa Tiempo Solución 1 1 min Cristal Violeta 2 10 seg Agua corriente
3 1 min Lugol
4 10 seg Agua corriente 5 15 seg Alcohol-Acetona 6 10 seg Agua corriente
7 1 min Fuccina
8 10 seg Agua corriente
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Figura 2.4 Técnica tinción de Gram
Este método ha sido, y es en la actualidad, constantemente usado en microbiología pues es un proceso básico en la caracterización de bacterias convirtiéndolo así en una herramienta fundamental en el desarrollo de la academia y en el avance de la microbiología, tanto así que a través de este proceso de tinción se han realizado clasificaciones serias de microorganismos utilizadas a nivel clínico e industrial. En la cotidianidad es el método de mayor facilidad técnica, además más rápido y económico, comparado frente a métodos como medios de cultivo cromógenos, pruebas antígeno-anticuerpo (ELISA), PCR (Polymerase Chain Reaction) y electroforesis que aunque más específicos, requieren mayores inversiones de tiempo, económicas, y técnicas. (3)
Saber si una bacteria es Gram-positiva o Gram-negativa es importante por varias razones. No solo microbiólogos sino también bacteriólogos, médicos, odontólogos y otros, a partir de los resultados de una tinción de Gram pueden ayudarse a identificar una bacteria desconocida y poderla clasificar por ejemplo en el manual de Bergey (Bergey´s Manual Trust) o determinar un tratamiento. Las bacterias Gram-positivas y Gram-negativas además difieren en su susceptibilidad a sustancias químicas tales como antibióticos, las bacterias Gram-positivas son más susceptibles a la Penicilina y las bacterias Gram-negativas son más susceptibles a la Tetraciclina. Las bacterias Gram-negativas poseen paredes celulares más complejas, y entre otras, las bacterias Gram-positivas y Gram-negativas producen diferentes tipos de toxinas. (6)
2.2 Control con dispositivos digitales
Actualmente la mayoría de las técnicas de control son implementadas en dispositivos digitales, es entonces importante comprender los sistemas controlados con dispositivos digitales. Existen grandes ventajas de los sistemas controlados con dispositivos digitales sobre los sistemas de control continuo. Algunas de ellas son: facilidad de diseño, por ser “diseño lógico”; facilidad de programación; la velocidad característica: depende como en este caso de la frecuencia de cristal incorporado a la tarjeta de desarrollo (10MHz); economía: mucha funcionalidad en espacios reducidos. (7)
Últimamente ha aumentado considerablemente el uso de dispositivos digitales en sistemas de control.
Esta implementación de control por dispositivos digitales ha hecho posible el movimiento
“inteligente” en robots industriales, optimización de la economía de combustible en automóviles y el refinamiento en la operación de los enseres y maquinas de uso domestico. Las mayores ventajas de la implementación de sistemas de control digital son la capacidad de toma de decisiones y la flexibilidad en los programas de control.
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La actual disposición de preferir controlar los sistemas de manera digital en lugar de análoga, se debe principalmente al fácil acceso a computadoras digitales de bajo costo y a las ventajas de trabajar con señales digitales en lugar de señales en tiempo continuo. A partir de esto es necesario tener el suficiente conocimiento de los tipos de señales y sus respectivas relaciones.
Es importante resaltar los sistemas de control que se pueden modelar como sistemas en tiempo discreto, lineales e invariantes en el tiempo. Es importante mencionar que muchos sistemas de control digital están basados en técnicas de diseño en tiempo continuo. Debido a que se ha acumulado una gran riqueza en lo que a experiencia se refiere en el diseño de controladores en tiempo continuo, el conocimiento pleno de estas técnicas es muy valioso en el diseño de sistemas de control en tiempo discreto. (8)
En la Figura 2.5 Se muestra un diagrama de bloques de un sistema de control digital que presenta la configuración del esquema de control básico, que se encuentra en el bloque denominado Algoritmo.
Reloj
A/D Algoritmo D/A Proceso
( ) ( ) y t
( )k u t y t ( )k
u t
Dispositivo Digital
Figura 2.5 Esquema de Sistema Controlado por Dispositivo Digital
La salida del proceso y(t) (para este caso compuesto principalmente por el motor DC) mostrada en la Figura 2.5, es una señal continua en el tiempo. La salida es convertida en digital por un conversor análogo digital (A/D). El conversor puede ser incluido dentro del dispositivo digital o hacer parte de una unidad separada de acuerdo a las preferencias o necesidades. La conversión es hecha según tiempo de muestreo tk. El dispositivo interpreta las conversiones y(tk), como una secuencia de números, procesos de medidas usando un algoritmo y devuelve una secuencia de números u(tk). Esta secuencia es convertida en una señal digital por un conversor digital análogo (D/A). Los eventos están sincronizados por un reloj. El dispositivo digital opera secuencialmente en el tiempo y cada operación toma cierto tiempo.
Los sistemas controlados por computador o dispositivos digitales contienen ambos tipos de señales, señales continuas en el tiempo y muestreadas o discretas en el tiempo. La mezcla de diferentes tipos de señales suele causar algunas dificultades en cuanto a los componentes electrónicos por ejemplo. En la mayoría de los casos resulta suficiente describir el comportamiento del sistema en los instantes de muestreo. (7)
2.2.1 Control Digital
Usando dispositivos digitales para la implementación de controladores se han obtenido avances sustanciales. Muchas de las dificultades con la implementación de controles análogos pueden ser evitadas. Por ejemplo, no hay problemas de precisión con los componentes, resulta fácil hacer sofisticados cálculos para los controles, es fácil incluir lógica y funciones no lineales.
Una herramienta matemática muy utilizada en el análisis y la síntesis de sistemas de control en tiempo discreto es la trasformada z. El papel de la transformada z en sistemas en tiempo discreto es similar al de la transformada de Laplace en sistemas en tiempo continuo.
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En un sistema de control discreto, una ecuación en diferencias lineal caracteriza la dinámica del sistema. Para determinar la respuesta del sistema a una entrada dada, se debe resolver dicha ecuación en diferencias. Con el método de la transformada z, las soluciones a las ecuaciones en diferencias se convierten en un problema de naturaleza algebraica. (De la misma forma en que la transformada de laplace transforma las ecuaciones diferenciales lineales invariantes en el tiempo en ecuaciones algebraicas en s, la transformada z transforma las ecuaciones en diferencias lineales e invariantes en el tiempo en ecuaciones algebraicas en z.) (8)
2.2.2 Discretización control
Es necesario para efectos de implementación en el microcontrolador, digitalizar el control. Este control digital se obtiene a través de una de las técnicas de aproximación de controladores de tiempo continuo a tiempo discreto. (8),
Teniendo en cuenta que el principio básico del esquema de control PID es que actúa sobre la variable a manipular a través de la más apropiada combinación de las tres diferentes acciones de control: acción proporcional, acción integral y acción derivativa.
Como la acción de control general PID para controladores análogos se describe por la Ecuación 2.1
0
1 ( )
( ) ( ) ( )
t
d i
m t K e t e t dt T de t
T dt
Ecuación 2.1
Donde e t( )es la entrada del controlador, m t( ) la salida del controlador, K es la ganancia proporcional, Ti tiempo integral y Td es el tiempo derivativo.
Para obtener la función de transferencia a una entrada paso del controlador PID, se procede a discretizar la anterior ecuación (Ecuación 2.1). El término integral se aproxima mediante la suma trapezoidal y el término derivativo por medio de la diferencia de dos puntos. Esta descripción representa el método de Tustin, la cual se resume en la Ecuación 2.2
1
( ) ( )
1
(0) ( ) ( ) (2 )
( ) ( ) ...
2 2 2 d
i
e k T e kt e kt e k T
T e e T e T e T
m kt K e kt T
T T
Ecuación 2.2
ó
1
1 ( )
( ) ( ) ( ) 1
2
k
d i h
e h T e ht T
m kt K e kt T e kt e k T
T T
Ecuación 2.3
Definiendo la función:
18
1
( )( ) 2
e h T e ht
f hT
Ecuación 2.4
A partir de esta función se tiene entonces que:
1 1
1 ( )
( ) 2
k k
h h
e h T e ht
f hT
Ecuación 2.5
Se aplica entonces la transformada Z en la anterior ecuación (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.) resultando:
1 1
1 1
1 ( ) 1 1
( ) ( ) (0) ( )
2 1 1
k k
h h
e h T e ht
Z Z f hT F z f F z
z z
Ecuación 2.6
1 1
( ) ( ) ( )
2 F z Z f ht z E z
Ecuación 2.7
Por lo tanto,
1
1 1
1 ( ) 1
2 2 1 ( )
k
h
e h T e ht z
Z E z
z
Ecuación 2.8
Entonces la transformada Z de la aproximación está dada como:
1
1 1
( ) 1 1 1 ( )
2 1
d i
T
T z
M z K z E z
T z T
Ecuación 2.9
Esta ecuación (Ecuación 2.9) se puede escribir finalmente como:
1
1
( ) 1 1 1 ( )
2 1
d
i i
T
T T
M z K z E z
T T z T
Ecuación 2.10
Donde
19
ganancia proporcional
2 2
ganancia integral
ganancia derivativa
p
i
i i
d d
KT Ki
K K K
T K KT
T K KT
T
Es de anotar que la ganancia proporcional Kp para el controlador PID digital es más pequeña que la ganancia K para el controlador PID analógico en un factor de Ki/2.
La forma final de la transferencia pulso para el controlador PID se convierte en:
1
1
G ( ) ( ) 1
( ) 1
i
d p d
K
z M z K K z
E z z
Ecuación 2.11
3. ESPECIFICACIONES
3.1 Requerimientos del sistema
A continuación se presenta una descripción más detallada de los diferentes elementos que constituyen el proyecto, comenzando por los componentes de mayor relevancia, siempre teniendo en cuenta la consecución de los objetivos.
3.1.1Especificaciones de la plataforma
El establecimiento de las especificaciones de la plataforma se deriva principalmente de factores como: los objetivos del proyecto, análisis de las variables mensurables de la Tinción de Gram (incluyendo protocolo del proceso y las pruebas realizadas en el laboratorio) y las necesidades de un posible usuario.
Por las características del proyecto, el prototipo ejecuta el proceso en un ambiente de laboratorio, por lo tanto en la construcción de la plataforma se tienen consideraciones como:
1. Asepsia, para garantizar que las muestras no se contaminen con microorganismos en la plataforma presentes allí como resultado del procesamiento de muestras anteriores.
2. Aislamiento de componentes eléctricos y electrónicos de los fluidos que estarán presentes en el proceso.
3. Las dimensiones de la plataforma debe ser coherente con el tamaño de los laminillas donde estará fija la muestra, así como de los diferentes componentes, como lo son los controladores, actuadores y sensores.
4. Como la plataforma estará en continuo contacto con diferentes líquidos se requiere una apropiada escogencia de los materiales para así prevenir algún tipo de corrosión por la constante exposición a estos.
5. La construcción tanto de los componentes mecánicos, así como de la carcasa deben garantizar la eficiente evacuación de todos los líquidos.
Por la naturaleza del protocolo de la Tinción de Gram, la muestra debe someterse a diferentes pasos propios del proceso, los cuales se describen en la Tabla 3.
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A partir de la tabla se define lo que se denominó como “Estaciones de aplicación”. Se determinan 6 estaciones, 5 de ellas corresponden a los componentes reactivos y la restante al
“Enjuague”.
Así se define como principio de funcionamiento de la plataforma, el movimiento rotativo de la muestra fija en la laminilla o portaobjetos alrededor del eje del motor, mediante un brazo que la sostiene. La muestra se mueve por cada una de las “Estaciones de aplicación” de acuerdo a la secuencia propuesta en el protocolo de la tinción de Gram. La anterior distribución espacial que se describió se representa en la Figura 3.1.
Etapa Tiempo Solución 1 1 min Cristal Violeta 2 10 seg Agua corriente
3 1 min Lugol
4 10 seg Agua corriente 5 15 seg Alcohol-Acetona 6 10 seg Agua corriente
7 1 min Fuccina
8 10 seg Agua corriente
Tabla 2. Resumen protocolo tinción de Gram
Figura 3.1 Esquema de principio de funcionamiento.
En cada una de las estaciones del proceso a la muestra se aplican los diferentes componentes como lo son el Cristal violeta, Lugol, Alcohol-acetona, Fuccina y agua corriente. Para aplicar los diferentes líquidos se encontró conveniente utilizar una bomba hidráulica acoplada a un motor DC. Por ser de un pequeño tamaño resultan útiles, y los flujos que proporcionan son los ideales para este tipo de aplicación. Además es posible variar la cantidad de flujo pues están compuestas por motores que reciben alimentación eléctrica. Al igual que la posición de la muestra, el flujo de los diferentes líquidos que se apliquen se controlará desde un microcontrolador.
3.2 Entradas y salidas del sistema
A continuación se realiza la descripción de las entradas y salidas de la plataforma de acuerdo a los requerimientos propios de la misma.
21 3.2.1 Entradas
Las entradas del sistema son básicamente las señales que producen señales tales como sensores y actuadores o interruptores, se presentan en la Tabla 3.
Dispositivo Descripción
Señal Inicio Switch (pulsador) Es utilizado para Inicializar la máquina de Estados (sección 4.5 Software)
Señal Referencia
Sensor de contacto Se utiliza para ubicar la posición de referencia “0”.
(sección 4.5 Software) Señal Posición Encoder de
cuadratura
Sensa la posición del brazo. (sección 4.5 Software)
Tabla 3. Entradas del sistema
Una descripción más amplia de los dispositivos de sensado utilizados se muestra en la sección de hardware (sección 4.3 Hardware).
La primera señal de importancia es la señal generada por interruptor normalmente abierto, esta señal es utilizada en primer lugar para ordenar a moverse en sentido dextrógiro al motor.
Cuando el brazo acciona el interruptor de posición éste se detiene. Después de haber encontrado la posición “cero” el interruptor normalmente abierto se dispone para generar la señal de Inicio de la Máquina de Estados que desarrolla el procedimiento de la tinción de Gram.
Es utilizado un sensor de posición o interruptor de final de carrera. Éste está dispuesto para generar un cambio de señal de bajo a alto cuando la posición del brazo se encuentra en la estación llamada inicio /final. Este procedimiento se realiza para encontrar la posición de referencia “0” que se ubica en la estación denominada “inicio-final” (Figura 3.2).
Figura 3.2 Disposición espacial
Las dos señales de entrada restantes son las producidas por el encoder de cuadratura, éstas señales están desfasadas pi/2 lo cual permite una resolución del doble que si se utilizara una sola, además permite identificar el sentido de giro del motor, esto se representa en la Figura 3.3. El funcionamiento del Encoder se encuentra con más detalle en la sección del Hardware utilizado. (Sección 4.3 Hardware)
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Figura 3.3 Señal encoder de cuadratura
3.2.2 Salidas
En la Tabla 4 se generalizan las señales de control o salidas que provienen del dispositivo digital hacia los elementos de potencia y actuadores (Puente H sección
4.3.4 Puente H, bombas sección 4.3.3 Bombas de aplicación y motor sección 4.3.1 Motor Henkwell DC HG37D670WE12_052).
Destino Descripción
5 señales de “aplicación bombas”
Puente H-> Bombas de Aplicación
Señales de habilitación de las bombas, (EN PuenteH)
Señal PWM Puente H -> Motor Señal de ciclo útil variable, (In2 Puente H) Señal “sentido” Puente H -> Motor Señal de conmutación de dirección de rotación
del motor (In1 Puente H)
Tabla 4. Salidas del sistema
Desde el microcontrolador se deben generar las señales que activan las bombas de aplicación (sección 4.3.3 Bombas de aplicación) en determinado punto del proceso. Como son cinco las bombas son cinco las señales de habilitación.
La señal de PWM es la principal señal de control para el motor, que primero pasa por el puente H, el componente encargado de administrar la energía entregada al motor para su funcionamiento, esto se ilustra en la Figura 3.4.
Figura 3.4 Conexión bombas y motor
3.3 Operaciones de la plataforma
Dado que el objetivo del presente trabajo es conseguir, mediante la construcción de una plataforma electromecánica, la realización del proceso de tinción de Gram de manera autónoma,
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dicha plataforma deberá estar en capacidad de realizar tareas propias del proceso de tinción, estas tareas se encuentran en la Tabla 5. Operaciones del prototipo.
Tarea Descripción
Recepción de muestras La muestra es recibida por un mecanismo de gancho que va sujeto a la base, que a su vez Está al final del brazo metálico. Esto se representa en la Figura 3.5.
Figura 3.5. Sujetador muestras
Traslación de de la muestra Se hace posible por la rotación del brazo sobre el eje del motor.
Aplicación de líquidos y enjuague Una vez la muestra está situada en cada una de las estaciones de aplicación y enjuague, las señales de habilitación de aplicación hacen posible la activación de las bombas.
Tabla 5. Operaciones del prototipo
Las tareas anteriores serán de acuerdo al protocolo del proceso de tinción, respetando los tiempos de exposición y de aplicación propuestos en la sección 4.1 Modelado del proceso de modelado del proceso como se muestran en la Tabla 7 y el orden de su aplicación.
3.4 Esquema General.
En la Figura 3.6 se representa la forma de conexión del Hardware. La comunicación entre el PC y el programador se hace mediante el puerto USB. Para la conexión entre el ICD2 y la tarjeta de desarrollo ET-BASE PIC8722 a través del bus I2C (sección 4.3.5 PIC18f8722 y tarjeta ET- BASE PIC8722). Se utilizan los puertos E de la tarjeta de desarrollo para la obtención de señales de encoder que provienen del motor. El puerto RG3 es utilizado como salida para la señal de PWM con ciclo útil variable que produce el movimiento del motor en una u otra dirección. El puerto D es utilizado para las señales de control para la aplicación de los diferentes componentes del proceso.
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0
5
2 5
2
PC
Bombas de Aplicación
Motor DC PIC18f8722
ICD2
Figura 3.6 Esquema general de conexiones.
4. DESARROLLO
En este capítulo se encuentran los componentes en el proceso de desarrollo de la plataforma y su puesta en funcionamiento. Una descripción concienzuda desde el momento del modelado del proceso hasta la obtención de resultados del mismo realizado por la plataforma, es indispensable desde el conocimiento del proceso y del cumplimiento de los objetivos propuestos desde un comienzo.
Se comienza con la descripción del modelado del proceso y representación del mismo a través de diagramas de flujo y de las variables mensurables y manipulables. Luego de esta descripción y representación del proceso se encuentra la parte de diseño de la plataforma y los diferentes criterios que se tuvieron en cuenta para su construcción. Además la descripción de los diferentes componentes mecánicos que conforman la planta.
A continuación una descripción del Hardware lo que incluye actuadores como lo son motores y bombas además de los sensores utilizados. En esta parte se incluye la tarjeta de desarrollo utilizada y el empalme con la sección de la descripción de entradas y salidas de la planta.
Luego se dispone de un capitulo de software donde se describe el proceso que debe seguir la planta desde el punto de vista de la programación. En esta sección se hace una diferenciación entre una descripción de alto y bajo nivel del programa implementado. Por último en el capítulo de desarrollo se expone el procedimiento que se sigue para la implementación del controlador de posición para el motor DC.
25 4.1 Modelado del proceso
El modelado de procesos es una técnica para la organización y documentación de procesos de un sistema, sus salidas, sus entradas y la forma de documentación de datos. El modelado de procesos no se limita a la descripción de procesos de software sino que mira más allá.
El objetivo primordial del modelado de procesos es realizar una representación mediante herramientas como por ejemplo los diagramas de flujo de datos, que se basa en la definición de procesos, agentes externos, almacenes de datos, y de flujo de datos que circulan entre ellos.
4.1.1 Proceso de Tinción de Gram
Según el protocolo seguido por el procedimiento de la tinción de Gram se pueden diferenciar las variables que intervienen en el mismo. Se tiene que explícitamente el procedimiento es secuencial y se deben seguir ciertos pasos dependientes totalmente de los tiempos de espera que cada uno de los reactivos demanda. Como se observó en diferentes pruebas realizadas mediante el transcurso del desarrollo del proyecto solo están definidos los tiempos de espera de cada reactivo, mas no así los tiempos de aplicación y de enjuague. Con esto se propone y se implementa un protocolo de acción basado principalmente en las características inherentes del proceso, y se complementa con lo proporcionado por la planta y la naturaleza de la misma. Es decir se adicionan tiempos de aplicación y de espera para poder empalmar las características de la planta y las del proceso de Gram.
El protocolo conocido y formulado por el doctor Gram se resume en la Tabla 6:
Como se puede observar en la tabla solo se encuentran los tiempos de espera de cada uno de los componentes activos del proceso. Esto incluye el cristal violeta, el lugol, el alcohol-acetona y la fuccina. No se tienen en cuenta cantidades específicas del líquido a aplicar, además la aplicación del agua en un laboratorio se realiza de forma manual y se depende de la observación para decidir cuándo se ha realizado un correcto procedimiento.
Es claro decir que mediante la observación del procedimiento en el laboratorio se pueden decidir qué cantidades de liquido aplicar sea agua o componente activo, además de la forma más adecuada de sacudir la forma a partir de las limitaciones físicas que tiene la planta.
El procedimiento propuesto que complementa el protocolo dispuesto por el doctor Gram y que se acondiciona a las características de la planta se representa en la Tabla 7.
Etapa Tiempo Solución 1 1 min Cristal Violeta 2 N/A Agua corriente
3 1 min Lugol
4 N/A Agua corriente 5 15 seg Alcohol-Acetona 6 N/A Agua corriente
7 1 min Fuccina
8 N/A Agua corriente
Tabla 6. Protocolo tinción de Gram
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La escogencia de estos tiempos de aplicación y de enjuague depende principalmente de la cantidad de aplicación de líquido mediante las bombas utilizadas. Se tiene en cuenta que la muestra necesita estar cubierta en su totalidad y conociendo las características de caudal de las bombas, que están aclaradas en la respectiva hoja de especificaciones, (9) se calcula el tiempo aproximado de encendido de la bomba para cumplir los requerimientos.
Es necesario entonces exponer las especificaciones técnico mecánicas de la bomba utilizada para fines de cálculo de estos tiempos de aplicación de tal manera que se cumpla la condición de cubrir totalmente la muestra sin desperdiciar o excederse en la cantidad aplicada.
Con 1.75 l/min @12 V cada segundo se aplica un volumen de liquido de 29 ml. Teniendo en cuenta que la laminilla queda totalmente cubierta con aproximadamente 5 ml se realizan las correspondientes pruebas que ayuden a encontrar un valor cercano de voltaje de alimentación de la bomba y tiempo de encendido.
Para la medición del flujo de la bomba era posible utilizar otras técnicas más sofisticadas de manera que permitieran implementar otra topología de control sobre las bombas, aunque la tolerancia de las bombas permitió que el control a malla abierta por tiempo de encendido resultara suficiente para cumplir las especificaciones y además la implementación de otra técnica de medición resultaría en costos elevados para la magnitud del proyecto
4.2 Desarrollo de la Plataforma
Teniendo en cuenta el protocolo estándar de la tinción de Gram y el modelo obtenido se forma una idea acerca del principio de funcionamiento de la planta que realiza autónomamente el procedimiento de Tinción.
El desarrollo de la plataforma tuvo varias etapas, dentro de las cuales se hicieron consideraciones tales como la escogencia del material, la forma física más apropiada, requerimientos especiales y demás. Fue necesario identificar elementos clave de la tinción de Gram, lo que se logró asistiendo a prácticas de laboratorio en el departamento de Microbiología de la Universidad en las que se llevó a cabo el proceso de tinción por estudiantes de la carrera de Microbiología Industrial, de allí se adquirieron varios videos que sirvieron para el modelado del proceso, además claro, de la documentación existente y previamente relacionada en este documento.
Etapa Tiempo Solución
1 0.5 seg Tiempo de aplicación componente activo 2 1 min Cristal Violeta
3 5 seg Tiempo de aplicación de Agua 4 5 seg Eliminación de Excesos
5 0.5 seg Tiempo de aplicación componente activo
6 1 min Lugol
7 5 seg Tiempo de aplicación de Agua 8 5 seg Eliminación de Excesos
9 0.5 seg Tiempo de aplicación componente activo 10 15 seg Alcohol-Acetona
11 5 seg Tiempo de aplicación de Agua 12 5 seg Eliminación de Excesos
13 0.5 seg Tiempo de aplicación componente activo 14 1 min Fuccina
15 5 seg Tiempo de aplicación de Agua 16 5 seg Eliminación de Excesos
Tabla 7. Modelado del protocolo de la tinción de Gram
27 4.2.1 Diseño
En el proceso manual de tinción, los reactivos son llevados hacia la muestra que se encuentra fija en una lámina portaobjetos, por simplicidad se cambió llevando la muestra fija en la laminilla hacia los reactivos por medio de un brazo acondicionado al eje de un motor DC Henkwell (sección 4.3.1 Motor Henkwell DC HG37D670WE12_052) que cuenta con caja reductora (gear box). La inyección de los reactivos se realiza mediante unas electrobombas sumergibles Bosch (sección 4.3.3 Bombas de aplicación), proceso que manualmente se hace por medio de goteros.
Para la realización del proceso de tinción de Gram, como se sabe, se cuenta con cuatro reactivos (Cristal Violeta, Lugol, Alcohol-Acetona y Fuscina) además de agua corriente, de forma que pensando en que cada uno es una estación se tienen cinco estaciones por lo que inicialmente se pensó en que la maquina tuviera forma circular debido al movimiento natural del brazo acoplado al eje del motor y que las cincos estaciones (reactivos y agua) estuvieran en contenedores alrededor distribuidos uniformemente en el perímetro del circulo descrito por la trayectoria del brazo con la muestra (Figura 3.2)
Para la optimización del espacio, se considero entonces un pentágono, de forma que en cada lado están las llamadas estaciones, posteriormente se consideró necesaria la existencia de una estación extra, la cual sirve para que el usuario monte y desmonte la laminilla del brazo, sería entonces la estación inicio/final. Esta es la forma final de la plataforma (Figura 4.6).
La plataforma cuenta con una base principal sobre la cual se encuentran montados los contenedores que tienen una tapa en la que las bombas se adaptan, una carcasa alta para las guías de las bombas que funciona también como salpicadero, una base más baja con desnivel para desagüe y rejilla en donde está montado el motor por medio de tornillos, en la Figura 4.1 se puede apreciar lo descrito, para mayor detalle consultar el anexo de los planos o el archivo plataforma.dwg
Figura 4.1 Vista superior Plataforma
Adicional a lo anteriormente descrito se debió tener en cuenta el cableado necesario para las bombas, el motor y un sensor de posición, para esto se utilizó canaleta en PVC, además se debió considerar un espacio para la circuitería asociada al control de la plataforma, por lo que se elevó la plataforma mediante extensores tubulares de acrílico, el resultado final se puede observar en la fotografía (Figura 4.6), para mas detalles consultar los anexos.
28 4.2.1.1 Contenedores y Base
Las dimensiones de la base y los contenedores son tomados de acuerdo a la longitud del brazo y el alto de las bombas sumergibles. La base es rectangular y tiene medidas de 350mmx368mm.
Son cinco contenedores, 4 de forma triangular para los componentes activos y un contenedor rectangular para el agua. Las medidas de los contenedores triangulares son:
140mmx80mmx10mm. El contenedor rectangular tiene medidas: 160mmx50mmx10mm.
Según lo anterior el volumen de capacidad en un contenedor triangular, teniendo en cuenta que la posición de la bomba y la misma bomba reducen la capacidad del contenedor será:
2 3140 80 100 140 80 20
2 19 (70 ) 289224 0.289
2 2
mmx mmx mm mmx mmx mm
mm mm mm L
Ecuación 4.1
En ese orden de ideas el contenedor rectangular tiene una capacidad de:
2 3160mmx50mmx100mm160mmx50mmx20mm2
19mm (70mm)481224mm 0.481LEcuación 4.2
La siguiente es la grafica de los contenedores y la base:
Figura 4.2 Contenedores y base
4.2.1.2 Carcasa
La carcasa fue diseñada para sostener las mangueras que aplican los líquidos. Tiene forma hexagonal por las estaciones de aplicación y una entrada para fácil acceso de la muestra. Las medidas de la carcasa son: hexágono de 155mm de lado y una altura de 150mm esto se puede apreciar en la Figura 4.3.
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Figura 4.3 Carcaza
4.2.1.3 Base para motor y desnivel
El motor es acoplado a una rejilla de acero inoxidable de forma hexagonal que es sostenida por una base igualmente hexagonal de las mismas medidas. Esta base tiene una altura de 140mm de lado y 80mm de altura. El desnivel envía los residuos a una esquina del hexágono, allí se toman los residuos por una manguera y se llevan fuera por debajo de la base.
Figura 4.4 Base para motor y desnivel
El acople de todas las piezas está representado en la siguiente grafica:
Figura 4.5 Plataforma Autocad
4.2.2 Fabricación
Una vez superada la etapa de diseño, el paso a seguir fue la fabricación de la plataforma, fue necesaria la asesoría de especialistas, para la realización de la parte en acrílico se escogió la empresa Acrilámina Ltda. Se consideró el proveedor más apropiado puesto que prestan servicio
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de corte y grabado laser en materiales blandos, allí se realizó la parte de la base principal y los contenedores, para la fabricación de los contenedores se utilizo la técnica de termoformado dadas las propiedades del material y buscando mayor impermeabilidad al tener piezas con pocas uniones o pegues. Algunas otras piezas como el desagüe, las tapas y guías de las mangueras para las bombas, los extensores y otras piezas fueron fabricadas por nosotros en el taller de mecánica de la facultad de Ingeniería.
4.2.3 Materiales
Los criterios para la selección de materiales adecuados en las diferentes piezas principalmente fueron la resistencia mecánica y la resistencia química.
Muchas de las piezas de la plataforma fueron construidas en Polimetilmetacrilato (PMMA), comúnmente conocido como acrílico, el cual es un plástico de ingeniería altamente usado en la industria, el acrílico se destaca frente a otros plásticos transparentes en cuanto a resistencia a la intemperie, transparencia y resistencia al rayado. Por estas cualidades es utilizado en la industria del automóvil, iluminación, cosméticos, espectáculos, construcción y óptica, entre muchas otras.
Entre sus propiedades se destacan:
Alta resistencia al impacto, de unas 10 a 20 veces la del vidrio.
Resistente a la intemperie y a los rayos ultravioleta. No hay un envejecimiento apreciable en 10 años de exposición exterior.
Ligero en comparación con el vidrio (aproximadamente la mitad), con una densidad de unos 1190 kg/m3 es sólo un poco más pesado que el agua.
De dureza similar a la del aluminio: se raya fácilmente con cualquier objeto metálico, como un clip.
De fácil combustión, no se apaga al ser retirado del fuego. Sus gases tienen olor afrutado y crepita al arder. No produce ningún gas tóxico al arder por lo que lo podemos considerar un producto muy seguro para elementos próximos a las personas al igual que la madera.
Gran facilidad de mecanización y moldeo.
Se puede mecanizar en frío pero no doblar. (serrado, esmerilado, acuchillado, pulido, etc.), Aplicaremos calor local (para doblarlo) o calentando toda la pieza (termo formado).
El metacrilato presenta gran resistencia al ataque de muchos compuestos pero es atacado por otros, entre ellos: Acetato de etilo, acetona, ácido acético, ácido sulfúrico, alcohol amílico, benzol, butanol, diclorometano, triclorometano (cloroformo), tolueno.
Otro material usado en la construcción de la plataforma fue el Acero Inoxidable (SS30400), su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas, hecho que puede comprobarse con tan solo unos ejemplos:
En el hogar: cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas, equipamiento de jardín y mobiliario.
En la ciudad: paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructuras de las estaciones.
En la industria: equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y electroquímicas, componentes para la automoción y aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos.
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Este material fue utilizado para la construcción del brazo que acoplado al eje del motor por medio de un extensor lleva en uno de sus extremos la muestra a procesar, también se uso para la elaboración de la rejilla para el desagüe, en donde además se encuentra soportado el motor, las principales características atractivas del material para este diseño fueron la rigidez, su apropiada mecanización, el hecho de ser inoxidable y sus propiedades asépticas.
El resultado de la construcción de la planta con los materiales escogidos es muy aproximado a los diseños propuestos y cumple con las especificaciones necesarias para una óptima implementación del procedimiento de la tinción de Gram. La siguiente ilustración muestra un resultado final de la plataforma:
Figura 4.6 Fotografía plataforma
4.3 Hardware
4.3.1 Motor Henkwell DC HG37D670WE12_052
El motor DC, este tipo de motores posee una caja de engranajes reductores (gear box) que se encarga de proporcionar mayor torque y una velocidad más baja, resultan controlables debido a que este tipo de motores actúan de acuerdo a una señal de control que resulta en una señal cuadrada o pulsos de amplitud y ancho de pulso variables, controlando así la posición angular y de otra manera el avance o retroceso. Anexo motor Henkwell
Se consideró adecuado este tipo de motor, por sus dimensiones y características mecánicas y eléctricas, las cuales cumplen los requerimientos de la planta. Todas estas características se encuentran en sección 4.3.2 Caracterización del motor.
Se escogió un microcontrolador (PIC) para hacer el control de movimiento del motor, desde allí se enviaran las señales apropiadas según lo preestablecido en concordancia con la naturaleza del proceso.
4.3.2 Caracterización del motor
Contando todos los componentes que hacen parte del proyecto, el motor es el principal pues de este depende en gran parte la ejecución del proceso y del respectivo control de posición que sobre este se ejerza. Entonces el conocimiento de todos los parámetros es fundamental para modelar la planta y así implementar el controlador más adecuado con forme los requerimientos del proyecto así lo demanden.
Para desarrollar un controlador de estas características es necesario contar con todas las singularidades que describen el funcionamiento mecánico y eléctrico del motor. En muchas
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ocasiones todas estas especificaciones se encuentran en la hoja de datos entregada por el fabricante. También se puede encontrar que el componente no tiene especificación alguna. En este caso específicamente se tienen unas y otras no por lo que se siguieron los procedimientos respectivos para encontrar las incógnitas.
El motor utilizado es el motor DC HG37D670WE12_052. Se escogió en primer lugar por sus características mecánicas, principalmente torque, velocidad. Además cuenta con un encoder de cuadratura que produce, a partir de su giro, un par de señales en cuadratura. La frecuencia de ambas depende de la velocidad de giro, y el sentido se identifica observando el signo de la diferencia de fase. Lo cual es muy importante para obtener la señal de referencia y así poder ejecutar un controlador óptimo.
4.3.2.1 Voltaje contra frecuencia
Una primera aproximación para el análisis del comportamiento de un motor DC de estas características, es la observación de la actuación del motor a diferentes niveles de alimentación en voltaje. Esto permite extraer los rangos de voltaje donde el motor tiene un comportamiento aproximadamente lineal para tener presente en el diseño del controlador. Para obtener estos resultados se ponen a la entrada diferentes valores de alimentación y se observa la señal proveniente del encoder, de esta manera es posible obtener los resultados.
La Figura 4.7 muestra la gráfica característica de la velocidad del rotor respecto a diferentes voltajes aplicados con intervalos de 0.5 voltios que están consignados en la Tabla 8 teniendo en cuenta los voltajes de operación del motor.
sin carga voltaje V Corriente A Frecuencia Hz 624 pulsos encoder Rpms
1 2 0,305 302,7 0,485096154 29,1057692
2 2,5 0,297 424,3 0,679967949 40,7980769
3 3 0,317 535,3 0,857852564 51,4711538
4 3,5 0,329 656,2 1,051602564 63,0961538
5 4 0,346 805,2 1,290384615 77,4230769
6 4,5 0,354 905,8 1,451602564 87,0961538
7 5 0,362 1015 1,626602564 97,5961538
8 5,5 0,358 1163 1,863782051 111,826923
9 6 0,356 1308 2,096153846 125,769231
10 6,5 0,362 1419 2,274038462 136,442308
11 7 0,369 1534 2,458333333 147,5
12 7,2 0,365 1623 2,600961538 156,057692
13 7,5 0,362 1677 2,6875 161,25
14 8 0,361 1799 2,883012821 172,980769
Tabla 8. Voltaje vs Frecuencia
