Diseño e implementación del sistema de comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de internet

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(1)N° tesis: jcb. PROYECTO FIN DE CARRERA Presentado a. LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Para obtener el título de. INGENIERO ELECTRÓNICO por. Andrés David Benavides Vega. Diseño E Implementación Del Sistema De Comunicaciones Para El Control De Plantas De Manera Remota A Través De Internet Sustentado el día mes de año frente al jurado:. Composición del jurado -. Asesor:. Mauricio Duque Escobar, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes. -. Jurados :. Jahir Arquimedes Barrios Novoa, Universidad de Los Andes.

(2) Diseño e implementación del sistema de 2 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet Contenido OBJETIVOS ................................................................................................................... 4 1.1 Objetivo General ...................................................................................................... 4 1.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 4 1.3 Alcance y productos finales ..................................................................................... 5 2 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 5 3 MARCO TEÓRICO E HISTÓRICO ............................................................................. 5 3.1 Marco Teórico.......................................................................................................... 5 3.1.1 Modelo Descriptivo De La Planta Ball In A Tube ........................................... 5 1. 3.1.2 Programación en EJS (Easy Java Simulation) y comunicación con la aplicación JilServer: ....................................................................................................... 6 3.2 Marco Histórico ....................................................................................................... 8 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ................................................ 9 4.1 Definición ................................................................................................................ 9 4.2 Especificaciones ....................................................................................................... 9 5 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ............................................................................. 11 5.1 Plan de trabajo ....................................................................................................... 11 5.2 Alternativas de desarrollo ...................................................................................... 12 6 TRABAJO REALIZADO ............................................................................................ 12 6.1 Descripción del Resultado Final ............................................................................ 14 6.2 Trabajo computacional .......................................................................................... 17 7 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ................................................................................. 19 7.1 Metodología de prueba .......................................................................................... 19 7.2 Validación de los resultados del trabajo ................................................................ 20 7.3 Implementaciones para el laboratorio .................................................................... 22 7.4 Evaluación del plan de trabajo ............................................................................... 24 8 DISCUSIÓN ................................................................................................................. 25 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 25 9 10 REFERENCIAS ........................................................................................................... 25 11 APENDICES ................................................................................................................ 28 4.

(3) Diseño e implementación del sistema de 3 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. INTRODUCCIÓN. Durante los últimos años se ha venido presentando una tendencia en el desarrollo de elementos para la enseñanza de la teoría de control que aprovechen el estado actual de las tecnologías de la información, en especial la ubicuidad y confiabilidad de la Internet, permitiendo así la implementación de entornos web en donde se de acceso a recursos de hardware de manera remota en lo que se conoce como Laboratorios Virtuales. Por otra parte se reconoce que los equipos utilizados para la ejecución de prácticas de laboratorio pueden ser costosos [4] y con ellos sólo se pueden realizar ciertos tipos de análisis debido a la limitante de dinámicas físicas que son aptos para representar, por lo que es necesaria la consecución de varias plantas para abarcar en un curso distintas estrategias de control, algo que muchas veces no es realizar. Lo que se busca con el presente proyecto de manera general es diseñar e implementar el sistema de control remoto de una planta a través de internet utilizando la arquitectura de la plataforma de desarrollo Java EJS (Easy Java Simulation) [19]. De esta forma, se espera como resultado en la primera parte la construcción de la planta, la cual debe poseer acceso a sus controles para su operación, con facilidad de conexión al computador a través de la tarjeta de adquisición de datos de NI o una tarjeta de control a partir del microcontrolador PIC. En la siguiente etapa, se tiene el computador y el control implementado en el software Labview, siendo en este caso el primer acceso de tipo local a la planta; de igual manera, se tiene que por medio de una conexión de internet, la estación de trabajo se conecte a una aplicación web de acceso, donde se unifican las plantas disponibles. Allí mismo se provee de acceso a los usuarios remotos y se muestran los servicios disponibles para los mismos, controlándose las comunicaciones y los problemas que en estas surjan. Algunos experimentos que pueden plantearse para el empleo en un entorno remoto son sistemas de levitación magnética, la planta para el control de temperatura, el sistema de plano inclinado, entre otros [4]. Se optó para el desarrollo del proyecto por la construcción de la planta “Ball in Tube” (Figura 1) debido a que permite la implementación de varios tipos de controladores, tanto tradicionales (PID, Variables de Estado) como no tradicionales (Lógica difusa), siendo en su concepción un experimento sencillo basado en el control de la velocidad de un ventilador que fuerza la entrada de aire hacia el tubo para mover la bola dentro y así establecer su altura en algún punto deseado..

(4) Diseño e implementación del sistema de 4 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Figura 1. Render de la planta “Ball in a Tube”.. 1. OBJETIVOS 1.1 Objetivo General El objetivo del proyecto es el desarrollo e implementación del sistema de control de una planta para su operación remota, permitiendo el acceso y control a un usuario a través de internet.. 1.2 Objetivos Específicos - Desarrollo de la aplicación prototipo con capacidades de control de acceso, asignación de recursos, transmisión y visualización de datos entre usuario y planta, manejo de contingencias. - Implementación de varias estrategias de control para la planta (PID, Variables de Estado, Lógica Difusa). - Desarrollo del módulo virtual de planta, en donde se encuentre su caracterización y elementos de control. - Elaboración de la documentación para el uso de la herramienta software, así como para una eventual adición de módulos al sistema. - Elaboración del banco de pruebas para el sistema completo de comunicaciones y control..

(5) Diseño e implementación del sistema de 5 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. 1.3 Alcance y productos finales -. -. 2. La implementación física que a grandes rasgos constará de una interfaz con el usuario remoto, digitalización de los datos suministrados por la planta, y una comunicación bidireccional entre usuario y la planta Puesta en marcha del sistema de comunicaciones que permita el acceso de un usuario por vez a una planta, su control y visualización de la misma Desarrollo del módulo de la planta (software) Desarrollo de la interfaz gráfica y web de la aplicación de acceso remoto. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO Se tiene un primer problema con el acceso a recursos de laboratorio que debido a su coste, dificultad de consecución y el mantenimiento necesario no es posible tenerlos y facilitar su uso a estudiantes y profesores para la enseñanza de sistemas de control [11]; por otra parte se reconoce que en un ambiente pedagógico se debe proveer a los estudiantes el conocimiento sobre el funcionamiento en la vida real de los modelos teóricos estudiados y se encuentra que establecer entornos simulados en donde se estudien por medio de representaciones matemáticas y físicas los sistemas de control de procesos reales no son muy atractivos [5]; y finalmente, con el aumento del modelo de enseñanza a larga distancia (aprendizaje distribuido) es clara la necesidad de “acercar” a los estudiantes que se les imposibilite un acceso presencial a los laboratorios físicos, a la experiencia que estos suministran [16]. Se encuentra entonces que una forma de resolver este problema es el diseño de plantas de bajo costo en su construcción que se asemejen a procesos de control reales y permitir su acceso para usuarios remotos a través de la Internet, aprovechando el soporte actual para la implementación de una aplicación web de acceso remoto a la planta, además de la posibilidad de hacer uso de la aplicación Labview para el desarrollo del control (cuya vinculación con la plataforma ya desarrollada se realiza de manera sencilla).. 3. MARCO TEÓRICO E HISTÓRICO 3.1 Marco Teórico 3.1.1 Modelo Descriptivo De La Planta Ball In A Tube Una representación del modelo físico del comportamiento de la pelota dentro del cilindro se puede encontrar analizando cómo son las fuerzas que se aplican en la pelota al ejercerse un flujo de aire:.

(6) Diseño e implementación del sistema de 6 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Figura 2. Diagrama de fuerzas actuando en la bola. Donde 𝐹𝑑𝑟𝑎𝑔 representa las fuerzas de arrastre debidas a la resistencia del aire, 𝐹∇𝑃 las fuerzas por los gradientes de presión, y 𝐹𝑔 la fuerza de gravedad en la bola. Luego la fuerza neta se describe en la siguiente ecuación: 𝜕𝑣 2 2 𝐶 4 𝐹 = 𝐹∇𝑃 + 𝐹𝑑𝑟𝑎𝑔 − 𝐹𝑔 = ∗ 𝜋 ∗ 𝑟 3 ∗ 𝜌𝑎 𝜕ℎ + 2𝐷 ∗ 𝜌𝑎 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ 𝑣 2 − ∗ 𝜋 ∗ 𝑟 3 ∗ 𝜌𝑏 ∗ 𝑔 (12) 3 3 Teniendo en cuenta que 𝑣 es la velocidad de flujo de aire, 𝜌𝑎 es la densidad del aire, 𝑟 el radio de la bola, 𝐶𝐷 el coeficiente de arrastre, ℎ es la distancia vertical entre la bola y el ventilador, 𝜌𝑏 la densidad de la bola, y 𝑔 la constante gravitacional. Un desarrollo completo de la dinámica del sistema se encuentra en [8], [4] y una simplificación para la aplicación de controladores lineales se hace en [14].. 3.1.2 Programación en EJS (Easy Java Simulation) y comunicación con la aplicación JilServer: Para el desarrollo de la interfaz de control remoto se tiene la herramienta para creación de applets EJS, que básicamente es un editor Java en donde el diseñador de aplicaciones trabaja en alto nivel, sin necesidad de preocuparse por la implementación exhaustiva de funciones y métodos en lenguaje de programación, sino más bien, en la representación de los modelos que se involucran en el proceso que se simula o con el que se encuentra trabajando en tiempo real. El programa consta de una consola donde se visualizan los distintos procesos que se encuentran corriendo en la aplicación, además de mostrar durante la corrida de la simulación el estado actual de la misma y las acciones que se presenten. Por otra parte, EJS consta de un área de trabajo en donde se realiza el diseño de la aplicación final, además de la programación de las variables y funciones que la definen..

(7) Diseño e implementación del sistema de 7 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Figura 3. Interfaz aplicación EJS. En la pestaña Model se define lo que se correrá en la ejecución de la aplicación en el entorno web, tanto el comportamiento frente a cambios en los modelos implementados como el manejo del intercambio de datos entre el servidor y el cliente, de especial interés para el proyecto actual. En la pestaña View se diseña la interfaz con la que interactúa el usuario final, junto con la respuesta a las acciones del mismo (oprimir un botón, cambiar la información de un cuadro de texto, etc.).. Figura 4. Vista de las pestañas Model y View de EJS. El programa que realiza la conexión entre el EJS y Labview es JilServer, el cual se ejecuta en el computador local donde se encuentra la planta a operar, de tal forma que da acceso al ‘VI’ para el control a un usuario remoto, pero de forma transparente, haciendo que en el computador cliente únicamente se observe la página creada en Java..

(8) Diseño e implementación del sistema de 8 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Figura 5. Vista de la aplicación JilServer.. 3.2 Marco Histórico El problema planteado en el presente proyecto de grado ha sido tratado desde dos aspectos principales: El surgimiento de entornos virtuales para la enseñanza de la teoría de control [3] [5] [6] [7] [9] [10] y el empleo de diferentes estrategias de control para la planta aquí empleada (“Ball-in-a-Tube”) [4] [15] [18]. El concepto de laboratorio remoto no es algo nuevo dentro del entorno educativo global, siendo una estrategia utilizada ampliamente actualmente para la enseñanza de conceptos y la provisión de situaciones reales a estudiantes, que los acerquen a la labor del ingeniero [3]. La idea de laboratorio remoto se define como aquel que permite el acceso a equipamiento físico por medio de internet, utilizando interfaces de adquisición y control, teniendo siempre especial cuidado en la conexión servidor-usuario para ofrecer una conexión fiable, además de ofrecer un sistema robusto que permita el manejo de los equipos remotos sin dañarlos o afectar negativamente su funcionamiento [11]. La característica importante que se resalta de estos laboratorios es la posibilidad de acceder al entorno de laboratorio desde el explorador, sin tener que instalar software especial para poder realizar las prácticas de laboratorio. Junto a esta ventaja, la forma como se ejecuta la aplicación en el PC local hace que sea eficiente el funcionamiento del sistema en tiempos de ejecución: el lazo cerrado de control se ejecuta de manera sincrónica (en tiempo real), mientras que el intercambio de variables (para el proceso de sintonización) corre de manera asíncrona [16]. Una implementación similar de este tipo de servicio se encuentra implementada en la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) en España [7], en donde se propone una solución similar a la planteada dentro del presente proyecto de grado, haciendo uso de la herramienta EJS y como sistema físico varias plantas (motor DC, sistema de tres tanques, sistema de temperatura). Se provee también la posibilidad de.

(9) Diseño e implementación del sistema de 9 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. realizar un análisis del modelo del proceso (simulación) o un acceso real a la planta física. Dentro del departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de los Andes ya se tiene una primera implementación de laboratorios remotos; en esta se utiliza como prototipo de control la planta Quanser para el posicionamiento de un motor Servo (a partir de la velocidad y ángulo), sobre el cual se implementan las estrategias de control por Espacio de Estados y PID.. 4. DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO 4.1 Definición El problema se define entonces como la necesidad de una herramienta interactiva para el acceso remoto (a través de internet) a una planta, de tal forma que permita al usuario realizar el proceso de caracterización e implementación de un controlador, observando en cada momento el comportamiento de esta, junto con la posibilidad de guardar los datos adquiridos para un posterior análisis.. 4.2 Especificaciones Se plantean dos clases de requerimientos generales, los establecidos para el sistema de control remoto y los específicos de la planta. - Requerimientos de la planta:. Figura 6. Árbol de objetivos de la planta. - Requerimientos del sistema de control remoto:.

(10) Diseño e implementación del sistema de 10 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet Sistema Remoto. Visualización. Datos. Interacción Usuario. Interacción Planta. Del Proceso real (planta). Grabado archivo. Configuración de la corrida del sistema. Recolección datos de sensor. De la medición de las variables. Carga archivo. Elección de los parámetros de control. Envío de señales de control para actuador. De la guía de laboratorio. Manejo de Contingencias. Figura 7. Árbol de objetivos del sistema remoto. Luego, se realiza un diagrama de caja negra donde se haga una descripción general del sistema de control remoto y de la planta; de igual forma, para estos dos elementos se plantea un diagrama de funciones sencillo que permita concebir de manera general el aspecto que al final debe tener el proyecto en su implementación real: - Planta:. Figura 8. Diagrama de funciones para la planta..

(11) Diseño e implementación del sistema de 11 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. - Sistema de control remoto:. Figura 9. Diagrama de funciones para el sistema de control remoto.. 5. METODOLOGÍA DEL TRABAJO Para el desarrollo del proyecto se estableció un calendario con tareas para ser desarrolladas durante el semestre, que van desde el planteamiento de los requerimientos y las especificaciones para la solución del problema hasta el desarrollo de las pruebas del funcionamiento completo del sistema, mediante la guía de la siguiente figura:. Figura 10. Diagrama de flujo del diseño del proyecto. Basado en [20]. 5.1 Plan de trabajo Desde el inicio del proyecto se plantearon varios hitos que representarían el progreso continuo, que debieron ser ajustados en el camino debido a la aparición de problemas y dificultades que surgieron, específicamente a lo concerniente al trabajo con la planta, quedando finalmente como se observan a continuación: - Escogencia de la planta, caracterización y desarrollo de módulo virtual - Escogencia de la herramienta de comunicación y diseño del sistema - Especificación del sistema, diagramas de lógica.

(12) Diseño e implementación del sistema de 12 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. - Desarrollo de la Interfaz gráfica, comunicación y visualización - Prueba del sistema y puesta en marcha. - Entregable 1: Especificaciones del sistema o plataforma a utilizar para realizar las comunicaciones entre el usuario y la planta - Entregable 2: Especificaciones funcionales de la planta (incluyendo la información de la caracterización), especificaciones de la interfaz gráfica y diagrama funcional. Los dos entregables corresponden al informe de avance para el 30% (que contiene la parte de especificaciones y diagramas funcionales) y el presente (con lo relativo al funcionamiento del sistema). 5.2 Alternativas de desarrollo Como se mencionó en la introducción a este documento, se tienen diferentes alternativas en el laboratorio de la universidad para el desarrollo del proyecto como lo son la planta térmica (bombillo y sensor lm35), sistema de plano inclinado (Ball and Beam), planta de posicionamiento de un servo motor y el sistema de control de nivel de líquido en dos tanques. La elección por la planta de Ball in a Tube surge de la necesidad de proponer un sistema físico distinto, que envuelva descripciones físicas diferentes y a su vez retos para la implementación de distintos controladores, en especial en el tema relacionado con la identificación del sistema que no es tan sencilla como la de las demás plantas comentadas.. 6. TRABAJO REALIZADO En primera instancia se procede a la especificación de la planta, la cual se basa en el diseño implementado que se ilustra en [4]. La planta básicamente cuenta con un módulo ubicado en la base y uno similar en la parte superior, los cuales poseen accesos de aire en cada costado pudiendo ser obstaculizados según sea la conveniencia para el experimento planteado; de esta forma se deja una única entrada de aire (en la parte inferior) y una única salida de aire (en la parte superior). El montaje consta de un ventilador que fuerza la entrada de aire hacia el tubo para mover la bola dentro; se tiene además un sensor de ultrasonido para determinar la posición (altura) de la bola en cada momento. Se pueden disponer módulos similares conectados a través de dos colectores de admisión y de escape, compartiéndose siempre de esta forma el aire en el sistema. El diseño físico de la planta resultó de la siguiente forma:.

(13) Diseño e implementación del sistema de 13 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Figura 11. Dimensiones Caja superior e inferior.. Figura 12. Dimensiones Caja Presurización y Tubo.. Figura 13. Perfil de la Planta..

(14) Diseño e implementación del sistema de 14 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. En la especificación del sistema de comunicaciones y control remoto se tiene que la labor es el desarrollo de la interfaz del cliente, que esencialmente es una aplicación Java desarrollada en la herramienta EJS que junto a un plugin (JIL Server) permite el acceso de manera remota a un archivo de Labview y cargar de manera transparente para el usuario el código que controla la planta. Se muestra a continuación un esquema de la visualización que de manera remota permita al usuario la interacción con la planta en una sola ventana (aunque se podría implementar una representación en varias ventanas) a construir basado en [2]:. Figura 14. Interfaz de visualización del laboratorio remoto. -. Descripción General del procedimiento que se está realizando (1). Cámara de visualización (2) Representación Gráfica de las variables de la planta para observar la posición de la bola en cada momento (3). Variables de control de la planta (4).. 6.1 Descripción del Resultado Final Para el desarrollo del proyecto se construyó la planta “Ball in a Tube” según los establecido en el punto anterior. En la figura 15 se muestra la estructura física con los elementos que la componen:.

(15) Diseño e implementación del sistema de 15 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Figura 15. Imagen de la planta construida. -. -. Estructura Física en acrílico, separable en dos partes (Estructura Inferior y Superior en la figura 15). Ventilador DC: similar a los que se encuentran dentro de las PCs, sus características eléctricas son operación a 12V (aunque se puede alimentar con menos y funciona correctamente para los propósitos del presente experimento) y una corriente de 0.5A; para su control se emplea una señal de PWM con ciclo útil variable según se quiera la velocidad del motor. Sensor Ultrasónico SRF05: construido por Devantech Ltd con especificaciones de Rango 1cm a 4m, Voltaje 5v, Corriente 4mA, Frecuencia 40KHz y un tamaño de 43mm x 20mm x 17mm..

(16) Diseño e implementación del sistema de 16 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Figura 16. Imagen del Sensor SRF05. Obtenida de http://www.msebilbao.com/notas/downloads/Medidor%20Ultrasonico%20SRF05.pdf -. Conectores: para la conexión de las entradas y salidas de la planta se pueden emplear dos modos: conexión directa con el computador por medio de USB y el empleo de la tarjeta de adquisición junto con el equipo PXI. Instrumentos: para la generación de las señales necesarias para la operación de la planta se cuenta con varios equipos; estos son, para la generación del pulso que activa la medición del sensor se tiene el módulo NI-9263 y para la medición del ancho del pulso de retorno del sensor el módulo NI-9401, la señal de control del motor (PWM) se origina desde el generador PXI (NI-9412), y para la polarización de todo los circuitos la fuente PXI (NI- 4110).. Cuando se desee utilizar la interfaz directa con la planta a través del puerto USB se utilizó un microcontrolador que implementara la comunicación entre el PC y la planta, intercambiando mensajes que contengan el ciclo útil deseado y la altura actual de la bola. El siguiente diagrama describe el procedimiento:. Figura 17. Diagrama de flujo de comunicaciones PC-Microcrontolador, con la estructura de intercambio del mensaje..

(17) Diseño e implementación del sistema de 17 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. 6.2 Trabajo computacional. Teniendo el montaje físico se procede a la implementación de los programas para el control (Labview y PIC) y la interfaz de interacción por internet (EJS). - Aplicación Labview:. Como primera medida se diseñan los controles SubVi que permitirán realizar la configuración de los instrumentos a utilizar en el proceso del control de la planta. Estos quedan de la siguiente manera: •. ConfPWM1.vi: en este SubVi se realiza la configuración del generador PXI, estableciendo una frecuencia para el PWM y un ciclo útil para la misma que se tienen como referencia para el primer ciclo de control de la planta. Para la definición de la señal de pulso cuadrado se crea una onda arbitraria que se carga dentro de la memoria del generador con los parámetros mencionados ya.. Figura 18. Descripción de ConfPWM1.vi. •. CambPWM: en esta función se realiza el cambio del ciclo útil cargado en la memoria del generador, realizando una carga nueva de la señal arbitraria definida en la configuración con el nuevo valor para la entrada Duty Cycle.. Figura 19. Descripción de CambPWM.vi. •. ConfMeas: se configura aquí la tarjeta digital que realizará la lectura de la duración del pulso generado por el sensor a partir de la creación de un canal de medición de un pulso digital y configurarlo para utilizar el contador interno del rack de la tarjeta de adquisición.. Figura 20. Descripción de ConfMeas.vi..

(18) •. Diseño e implementación del sistema de 18 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. ConfPulse2: con este SubVi se configura la tarjeta de salidas análogas para utilizar una de estas para generar un pulso digital con frecuencia de 8Hz y ciclo útil del 1%, esto especificado para cumplir con los requerimientos de operación del sensor y la separación entre pulsos de excitación para el mismo.. Figura 21. Descripción de ConfPulse2.vi. En el caso que se utilice el microcontrolador PIC para la operación de la planta se implementó en Labview también una interfaz de comunicación para el intercambio de datos: •. SerialCom: utiliza la interfaz VISA para lograr la comunicación con el dispositivo PIC, enviando una cadena con el valor del ciclo útil para el motor y recibiendo la altura actual de la bola.. Figura 22. Descripción de SerialCom.vi. •. Num2Ser y Ser2Num: realizan la conversión del tipo de dato double a string para poder ser manejado por la interfaz serial y de string a double para poder ser utilizado dentro del algoritmo de control.. Figura 23. Descripción de Ser2Num.vi y Num2Ser.vi. - Interfaz EJS: Para la aplicación de control local de la planta en versión de prueba se desarrolló un entorno en donde se accediera a las de entrada (Pulso de inicio medición) y salida del sensor (Pulso de Medida - Eco), así como también la señal PWM para el motor (que se envía al driver de potencia L293B). Se muestra a continuación la aplicación en Labview y su respectiva interfaz en EJS:.

(19) Diseño e implementación del sistema de 19 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Figura 24. Interfaz de Prueba intercambio variables Labview-EJS. También se implementó una aplicación para el control PID de la planta, que al igual que el anterior programa permite la obtención de la altura con su estampa de tiempo, además del ciclo útil que se le está aplicando al motor.. Figura 25. Interfaz de Prueba de control PID.. 7. VALIDACIÓN DEL TRABAJO 7.1 Metodología de prueba Para la validación del presente proyecto se tiene un análisis correspondiente para cada una de las dos partes que lo componen: la planta como tal y el control realizado a través de la red. El método de comunicación entre el computador local y la planta empleado para estas pruebas fue la conexión con el microcontrolador por facilidad de movimiento, pero se tiene que el comportamiento es bastante similar al obtenido con los dispositivos PXI. De esta forma, primero se hacen una serie de pruebas locales utilizando las aplicaciones anteriormente ilustradas:.

(20) •. •. •. Diseño e implementación del sistema de 20 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Prueba de comunicación serial, modificación de la variable de ciclo útil y medición altura actual desde Hyperterminal: para verificar el funcionamiento de la planta (sensor y motor), se ejecuta la aplicación Hyperterminal de Windows, con la cual se configura y se realiza la comunicación con el microcontrolador; siguiendo el diagrama de la figura 20, junto con la definición dada para el mensaje de intercambio de información desde el PC hacia el PIC, se procede a ajustar distintos valores del ciclo útil del motor y observar su consiguiente comportamiento. Además se espera que desde el PIC se envíe al computador el mensaje con la altura dada en cm. Prueba de comunicación serial, modificación de la variable de ciclo útil y medición altura actual desde Labview: empleando la aplicación Caracterización se realiza un procedimiento similar al del punto anterior, esta vez desde Labview, con lo cual se tiene una base sólida para la implementación sobre ésta de las estrategias de control. Prueba de control PID: mediante la aplicación ControlLocalPID se desea que a partir de los parámetros del sistema obtenidos en el proceso de caracterización de la planta (función de transferencia) y los coeficientes del controlador diseñados se pueda realizar un control de la planta para distintos valores de Setpoint.. Luego se establecen pruebas similares para el control en la red de la planta, en donde se añade además el uso de la cámara IP, con la cual se observa en tiempo real el funcionamiento de la planta.. 7.2 Validación de los resultados del trabajo Siguiendo el plan de pruebas, se determinó el funcionamiento de la planta con miras a realizar un proceso de prueba en donde se ejemplificara el uso para la identificación y control de la planta se utilizó la aplicación de Caracterización creada en Labview, implementando una función seno de 0.4Hz de frecuencia, amplitud pico de 1 y offset de 9. Con esto se consigue que el porcentaje del ciclo útil del PWM varíe entre el 83% y 66% aproximadamente, obteniéndose un barrido de valores para la identificación de la función de transferencia de la planta..

(21) Diseño e implementación del sistema de 21 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet Input and output signals. 80. y1. 60 40 20 0. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 0. 10. 20. 30 Time. 40. 50. 60. u1. 80 75 70. Figura 26. Señales de entrada y salida para la identificación de la planta. Utilizando la herramienta System Identification de Matlab se procede a estimar los parámetros que definen la planta. De esta forma se encuentra que la función de transferencia que más se ajusta a los datos obtenidos es la siguiente: 𝐻=. −0.31844𝑠 + 0.47659 𝑠 2 + 0.12929 + 0.80167. (13). Luego, utilizando la herramienta Control and Estimation Tools Manager, también de Matlab, se diseña el controlador PI con el algoritmo Singular frecuency based tuning, encontrándose que los valores de estas constantes son: 𝐾𝑝 = 0.16112; 𝑇𝑖 = 0.03222 (14). Aplicando este controlador en el programa ControlLocalPID se pudo observar el siguiente comportamiento:.

(22) Diseño e implementación del sistema de 22 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet Altura de la Bola. 90 80 70. Altura (cm). 60 50 40 30 20 10 0 -10. 0. 20. 40. 60. 80. 100 Tiempo (s). 120. 140. 160. 180. 200. Figura 27. Comportamiento de la bola para un Setpoint de 50cm y una altura de 70cm. Habiendo comprobado el funcionamiento del controlador para la planta a nivel local, se dispuso la comprobación del sistema desde la aplicación creada en EJS, consiguiéndose los siguientes resultados de operación:. Figura 28. Muestra del funcionamiento remoto de la planta.. 7.3 Implementaciones para el laboratorio Después de realizar la comprobación del funcionamiento correcto del sistema se procedió al diseño de las aplicaciones base para el desarrollo de las prácticas de laboratorio, las cuales deben permitir el trabajo con la planta de manera similar a si se tuviera acceso físico directo a la planta. -. Caracterización de la Planta: para permitir al usuario una caracterización amplia de la planta, se dispuso la opción de generar cuatro tipos de señales que se asignan al valor del ciclo útil del PWM; estas son una señal DC (para realizar la función de.

(23) Diseño e implementación del sistema de 23 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. paso), seno, cuadrada y la triangular, pudiéndose variar cuando aplique la amplitud, la frecuencia, el offset y el ciclo útil. De igual forma se implementó la opción de guardar los datos obtenidos en un archivo de texto para su posterior análisis, además de tomar una imagen de las gráficas generadas para la altura y el ciclo útil actual.. Figura 29. Aplicación para la caracterización de sistema.. Figura 30. Ilustración guardada de una corrida del sistema para caracterización..

(24) Diseño e implementación del sistema de 24 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. Figura 31. Muestra de los datos generados en el archivo (tiempo, ciclo útil, altura). -. Controlador PID: posee las mismas características que la anterior aplicación implementada, con la diferencia que permite introducir los valores de los coeficientes Kc, Ti, Td, además de poder establecer el valor del Setpoint de altura. Esto se registra de igual manera en la gráfica de altura para poder realizar la comparación con el comportamiento real de la bola dentro del tubo.. Figura 32. Aplicación para implementación del controlador PID.. 7.4 Evaluación del plan de trabajo Se tiene que durante la elaboración del proyecto se tuvieron distintas dificultades que hicieron que no se cumplieran con las metas de tiempo establecidas en la propuesta al inicio del trabajo. Estos problemas fueron de tipo logístico y técnico: en el primer caso, para la planta con la que se escogió trabajar se tuvo el inconveniente que el acceso a la misma era limitado y estaba sujeto a la disponibilidad horaria de la persona que se encontraba utilizándola, por lo que se procedió al diseño y fabricación del sistema, atrasando el calendario planificado enormemente. Por otra parte, los problemas que surgieron con la comunicación serial entre el microcontrolador y el programa Labview,.

(25) Diseño e implementación del sistema de 25 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. hizo que los esfuerzos se dividieran para trabajar tanto con el dispositivo PXI como con la opción del PIC. Finalmente se logró implementar el control de la planta tanto local como remoto, cumpliendo las fechas de entrega dispuestas del proyecto como tal, así como también de los documentos de soportes definidos desde un principio.. 8. DISCUSIÓN Con el desarrollo del proyecto de diseño e implementación del sistema de comunicaciones para el control de la planta Ball in a Tube de manera remota a través de Internet se pudo obtener una aproximación bastante buena del funcionamiento del sistema, apto para el uso en las clases de laboratorio de control en la Universidad de los Andes. Se cumplió satisfactoriamente con el objetivo general del proyecto, además llevando a cabo lo propuesto en los objetivos específicos, haciendo falta únicamente la elaboración de la documentación completa para el manejo del software. Además, se cumplió cabalmente con lo descrito en los alcances del proyecto, que aunque generales, permiten la evaluación completa del trabajo realizado durante este proyecto.. 9. CONCLUSIONES Terminado el trabajo con la planta Ball in a Tube queda comentar que aporta un nuevo recurso para la enseñanza del control en el laboratorio, en especial proveyendo nuevas características para el estudio de sistemas físicos y de las limitantes para la elaboración de modelos matemáticos de manera analítica. El desarrollo siguiente es el montaje de otro módulo similar, y aprovechando el diseño de la planta, conectarlos para generar sistemas más complejos que faciliten el uso de otras estrategias de control como lo es Dynamic Resource Allocation.. 10 REFERENCIAS [1]Astrom, K., & Hagglund, T. (1995). PID Controllers: Theory, Design and Tuning. [2] Barrios, A, & Panche S.; Tutorial I: Building the java applet with Easy Java Simulation. Julio 2011. [3]Bochicchio, M.A.; Longo, A.; "Hands-On Remote Labs: Collaborative Web Laboratories as a Case Study for IT Engineering Classes," Learning Technologies, IEEE Transactions on, vol.2, no.4, pp.320-330, Oct.-Dec. 2009. doi: 10.1109/TLT.2009.30. URL:http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5204073&isnumber=5 370793 [4]Caro, C., & Quijano, N. (2011). Low Cost Experiment for Control Systems. [5]Casini, M.; Prattichizzo, D.; Vicino, A.; , "The automatic control telelab," Control Systems, IEEE , vol.24, no.3, pp. 3644, Jun 2004. doi: 10.1109/MCS.2004.1299531.URL:http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnu mber=1299531&isnumber=28872.

(26) Diseño e implementación del sistema de 26 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. [6]Casini, M.; Prattichizzo, D.; Vicino, A.; , "The automatic control telelab: a userfriendly interface for distance learning," Education, IEEE Transactions on , vol.46, no.2, pp. 252257, May 2003.doi: 10.1109/TE.2002.808224.URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1198634&isnumber=26978 [7]Dormido, S., Vargas, H., Sánchez, J., Dormido, R., Duro, N., Dormido-Canto, S., y otros. (2008). Developing and Implementing Virtual and Remote Labs for Control Education: The UNED pilot experience. 17th IFAC World Congress (IFAC'08), (pág. 6). Seul. [8]Escaño, J.M.; Ortega, M.G.; Rubio, F.R.; , "Position control of a pneumatic levitation system," Emerging Technologies and Factory Automation, 2005. ETFA 2005. 10th IEEE Conference on , vol.1, no., pp.6 pp.-528, 19-22 Sept. 2005. doi:10.1109/ETFA.2005.1612568.URL:http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp= &arnumber=1612568&isnumber=33857 [9]Fernández-Samacá, L., Scarpetta, J. M., & Orozco-Gutiérrez, M. L. (2010). Emulation and remote experimentation as support resources in a PBL approach for control systems. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia , 194-202. [10]Lazar, C.; Carari, S.; , "A Remote-Control Engineering Laboratory," Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol.55, no.6, pp.2368-2375, June 2008. doi: 10.1109/TIE.2008.920650.URL:http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnum ber=4470595&isnumber=4531695 [11]Macias, M.E.; Mendez, I.; , "TeleLab - remote automations lab in real time," Frontiers in Education Conference, 2008. FIE 2008. 38th Annual , vol., no., pp.S1B-15S1B-20, 22-25 Oct. 2008. doi: 10.1109/FIE.2008.4720444. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4720444&isnumber=472024 9 [12]Mansour, T. (2011). PID Control Implementation and Tuning. Rijeka: InTech. [13]Ogata, K. (2002). Modern Control Engineering. New Jersey: Prentice Hall. [14]Pavlic, T. P. (2007). Ball-in-Tube Linearization Example, Lab 5: Nonlinear Control for a Flexible Joint. URL: http://www2.ece.ohiostate.edu/~passino/lab5_nonlinear_ball_tube_ex.pdf [15]Pereira, J.S.; Bowles, J.B.; , "Comparing controllers with the ball in a tube experiment," Fuzzy Systems, 1996., Proceedings of the Fifth IEEE International Conference on , vol.1, no., pp.504-510 vol.1, 8-11 Sep 1996. doi: 10.1109/FUZZY.1996.551792. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=551792&isnumber=1195 [16]Sanchez, J.; Dormido, S.; Pastor, R.; Morilla, F.; , "A Java/Matlab-based environment for remote control system laboratories: illustrated with an inverted pendulum," Education, IEEE Transactions on , vol.47, no.3, pp. 321- 329, Aug. 2004. doi:10.1109/TE.2004.825525.URL:http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arn umber=1323144&isnumber=29295 [17]Quijano, N.; Gil, A.E.; Passino, K.M., "Experiments for dynamic resource allocation, scheduling, and control: new challenges from information technologyenabled feedback control," Control Systems, IEEE, vol.25, no.1, pp. 63- 79, Feb. 2005..

(27) Diseño e implementación del sistema de 27 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. doi:10.1109/MCS.2005.1388804.URL:http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=& arnumber=1388804&isnumber=30230 [18]Ziwei, O.; Michael, S.; Wei Kexin; , "The experiment “Ball-in-tube” with FuzzyPID controller based on dspace," Systems, Man and Cybernetics, 2007. ISIC. IEEE International Conference on, vol., no., pp.877-881, 7-10 Oct. 2007. doi: 10.1109/ICSMC.2007.4413729.URL:http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&ar number=4413729&isnumber=4413561 [19] Barrios, A; Structural And Technical Design For The Network System Architecture [20] Dieter, G; Schmidt, L. (2009) Engineering design. New York: McGraw-Hill..

(28) Diseño e implementación del sistema de 28 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet 11 APENDICES A. Propuesta Inicial: UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. PRESENTACIÓN DE PROPUESTA DE PROYECTO DE GRADO SEMESTRE: 2011-1 FECHA: 30 de Mayo de 2011 PROYECTO O TESIS DE GRADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE: Ingeniero Electrónico ESTUDIANTE: Andrés David Benavides Vega CÓDIGO: 200715577 TÍTULO DE LA TESIS O PROYECTO: Diseño e implementación de sistema de comunicaciones para control de plantas de manera remota a través de internet DECLARACIÓN: 1 - Soy consciente que cualquier tipo de fraude en esta Tesis es considerado como una falta grave en la Universidad. Al firmar, entregar y presentar esta propuesta de Tesis o Proyecto de Grado, doy expreso testimonio de que esta propuesta fue desarrollada de acuerdo con las normas establecidas por la Universidad. Del mismo modo, aseguro que no participé en ningún tipo de fraude y que en el trabajo se expresan debidamente los conceptos o ideas que son tomadas de otras fuentes. 2- Soy consciente de que el trabajo que realizaré incluirá ideas y conceptos del autor y el Asesor y podrá incluir material de cursos o trabajos anteriores realizados en la Universidad y por lo tanto, daré el crédito correspondiente y utilizaré este material de acuerdo con las normas de derechos de autor. Así mismo, no haré publicaciones, informes, artículos o presentaciones en congresos, seminarios o conferencias sin la revisión o autorización expresa del Asesor, quien representará en este caso a la Universidad. _____________________________________ Firma (Estudiante) Código: CC:. _____________________________________ Vo.Bo. ASESOR (Firma) Nombre:.

(29) Diseño e implementación del sistema de 29 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. 1. Caracterización del problema (Justificación). En la actualidad, teniendo en cuenta el aumento de las capacidades en las comunicaciones y el desarrollo de entornos virtuales para el aprendizaje, se reconoce la necesidad de la implementación de soluciones que permitan el acceso a recursos de laboratorio que debido a su coste o dificultad de consecución no es posible tenerlos y facilitar su uso a estudiantes y profesores. Aprovechando la posibilidad de realizar convenios interinstitucionales (entre universidades y/o sector privado) con la finalidad de proveer acceso a instrumentos y servicios a través de la red, se plantea la labor de establecer una plataforma que permita la comunicación entre un usuario remoto y dispositivos como plantas con fines educativos o de investigación. Teniendo en cuenta el desarrollo y los avances en lo anterior dado en el curso de Taller de Control en el semestre 2011-1, se plantea continuar con esta labor y desarrollar a profundidad la herramienta que permita el acceso y control de las plantas en la red. 2. Marco Teórico. Para la consecución de las comunicaciones y proveer un acceso remoto a equipos, se tiene en la primera parte la planta a controlar, la cual debe poseer puertos de acceso para su operación y control, con facilidad de conexión al computador (preferiblemente) ya sea por puerto paralelo, serial, USB, o con posibilidad de conexión a la red (local o internet). En la siguiente etapa, se tiene el computador que realiza la adquisición de datos y el control de la planta, siendo en este caso el primer acceso de tipo local a la misma; de igual manera, se tiene que por medio de una conexión de internet, el computador se conecte a una aplicación web de acceso, donde se unifican las plantas disponibles. Allí mismo se provee de acceso a los usuarios remotos y se muestran los servicios disponibles para los mismos, controlándose las comunicaciones y los problemas que en estas surjan. a. Antecedentes externos: - En [1] [2] [3] de la red de universidades RENATA, se muestran proyectos similares de acceso virtual a laboratorios construido entre varias universidades como la Universidad Del Atlántico, Universidad Del Valle, Universidad EAFIT, entre otras, para compartir recursos en el área de la robótica para la enseñanza de cursos.. b. Antecedentes locales: - En la Universidad se encuentra en realización en el presente semestre (2011-1) la implementación de un sistema de control a través de internet de las plantas Quanser haciendo uso de la herramienta de Labview..

(30) -. -. Diseño e implementación del sistema de 30 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. En la tesis de especialización “Diseño y evaluación de un sistema de monitoreo y control remoto de variables a través de GPRS” de Julian David Mancera, se presenta el diseño e implementación de un sistema de monitoreo y control por medio de un modem GPRS donde se maneja la adquisición y transmisión de datos a través de un PIC [4] La tesis titulada “Laboratorios remotos por web en el área de control con el fin de mejorar la calidad de educación” de Hector Samir Estefan Vargas propone un modelo didáctico también trabajado en la universidad.. 3. Caracterización del proyecto a. Objetivos generales:. El objetivo del proyecto es el desarrollo e implementación del sistema de control de una planta para ser operada remotamente a través de internet, que permita su acceso y control a un usuario de manera segura, robusta, y manejando el flujo de datos en la red de manera eficiente. b. Objetivos específicos: -. -. Desarrollo de la aplicación prototipo con capacidades de control de acceso, asignación de recursos, transmisión y visualización de datos entre usurario y planta, manejo de contingencias. Desarrollo de módulo virtual de planta, en donde se encuentre su caracterización y elementos de control. Elaboración de la documentación para el uso de la herramienta software, así como para un eventual adición de plantas al sistema Elaboración del banco de pruebas para el sistema completo de comunicaciones.. c. Alcance (compromisos): - Es importante decir que se logrará una implementación física que a grandes rasgos constará de una interfaz con el usuario remoto, digitalización de los datos suministrados por la planta, y una comunicación bidireccional entre usuario y la planta - Puesta en marcha del sistema de comunicaciones que permita el acceso de un usuario por vez a una planta, su control y visualización de la misma - Desarrollo del módulo de la planta (software) - Desarrollo de la interfaz gráfica y web de la aplicación de acceso remoto. 4. Contexto del proyecto y tratamientos a. Suposiciones: - La planta estará disponible y no será desarrollada.

(31) -. Diseño e implementación del sistema de 31 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. La planta poseerá las facilidades de conexión al computador o se dispondrá de un sistema para realizarlas (implementación de interfaz USB, Serial, etc.) - Acceso a las herramientas de desarrollo para la interfaz y comunicaciones, ya sean pagas o de código libre - Acceso de alta velocidad a la red de manera permanente para la planta y el usuario remoto b. Restricciones: - Se proveerá acceso en un mismo momento a una única planta y para un único usuario en la herramienta c. -. Factores de Riesgo Dificultad de acople de la planta al computador (y sistema de comunicaciones) Inestabilidad o baja velocidad de acceso a la red Imposibilidad de acceso a las herramientas de desarrollo. 5. Cronograma a. -. Identificación y descripción de hitos Escogencia de la planta, caracterización y desarrollo de módulo virtual Escogencia de la herramienta de comunicación y diseño del sistema Especificación del sistema, diagramas de lógica Desarrollo de la Interfaz gráfica, comunicación y visualización Prueba del sistema y puesta en marcha Entregable 1: Especificaciones del sistema o plataforma a utilizar para realizar las comunicaciones entre el usuario y la planta Entregable 2: Especificaciones funcionales de la planta (caracterización), especificaciones de la interfaz gráfica y diagrama funcional..

(32) Diseño e implementación del sistema de 32 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet.

(33) Diseño e implementación del sistema de 33 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. 6. Recursos - Acceso a las instalaciones, plantas y demás equipos de laboratorio de la universidad - Documentación disponible en la biblioteca de la universidad y bases de datos adscritas 7. Bibliografía. [1] Laboratorio distribuido con acceso remoto a través de RENATA para la experimentación en robótica. Obtenido en línea de http://www.renata.edu.co/index.php/ciencias-basicas/1282-laboratorio-distribuido-conacceso-remoto-a-traves-de-renata-para-la-experimentacion-en-robotica.html [2] Framework para el desarrollo de laboratorios de acceso remoto sobre redes de alta velocidad (RENATA) en el área de la robótica. Obtenido en línea de http://www.renata.edu.co/index.php/edelectronica-telecomunicaciones-e-informatica/1310framework-para-el-desarrollo-de-laboratorios-de-acceso-remoto-sobre-redes-de-altavelocidad-renata-en-el-area-de-la-robotica.html [3] Laboratorio virtual de control por visión para teleoperar robots en el espacio operacional. Obtenido en línea de http://www.renata.edu.co/index.php/edelectronicatelecomunicaciones-e-informatica/1305-laboratorio-virtual-de-control-por-vision-parateleoperar-robots-en-el-espacio-operacional.html [4] Mancera, Julián. Diseño y evaluación de un sistema de monitoreo y control remoto de variables a través de GPRS. Tesis de Especialización.

(34) Diseño e implementación del sistema de 34 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. B. Programas Labview con su respectivo Diagrama de Bloques -. Caracterización:. -. ControlLocalPID:.

(35) Diseño e implementación del sistema de 35 comunicaciones para el control de plantas de manera remota a través de Internet. -. SubVI SerialCom. C.. Tarjeta de adquisición a partir de microcontrolador PIC.

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