Source: https://www.scribd.com/document/382760278/Pillaca-Garaundo-Fredy-Burbuja-Neonatal-3b
Timestamp: 2019-01-18 04:27:59+00:00

Document:
tesis de plc
CONTROL DE TEMPERATURA PARA LA BURBUJA
NEONATAL MODELO 3B
Fredy Pillaca Garaundo
Asesor: Msc. Bruno Castillón Lévano
Lima – Febrero del 2011
La necesidad de controlar la temperatura del habitáculo del prototipo de Burbuja
Neonatal Modelo 3B (prototipo para realizar ensayos preclínicos) desarrollado en
nuestra universidad, motivó la ejecución del presente trabajo de tesis, que consistió
en diseñar e implementar el control de temperatura del habitáculo del prototipo
mencionado en el rango de 25ºC a 37ºC, con un tiempo de calentamiento menor a
90 minutos y una precisión de estabilidad térmica menor a +/- 0.5 ºC, según norma
IEC 60601-2-19.
El diseño e implementación del control se dividieron en dos fases.
En la primera fase, se realizó el control de temperatura en 4 etapas (estudio de la
planta de la Burbuja Neonatal 3B; obtención de los parámetros del controlador PID;
diseño e implementación del algoritmo de control en el PLC EASY 821-DC-TCX;
verificación y reajuste del control de temperatura). Además en el proceso de
mejorar la sintonización se encontró problemas de la electrónica.
En la segunda fase, se realizó una reingeniería de la planta: se diseñó e
implementó el subsistema electrónico de la Burbuja Artificial Neonatal modelo 3B.
Donde el algoritmo de control final posee 2 tipos de controles (P, PID), en un primer
momento actúa el controlador proporcional (P=4) y luego actúa el controlador PID
(P=2.5; I=2500; D=120); esto con el fin reducir el tiempo de subida y obtener una
Finalmente el resultado posee una estabilidad térmica de +/- 0.08 ºC y un tiempo
de calentamiento de 63.2 minuto. De esta manera es posible cumplir con los
requerimientos de control de temperatura según la norma mencionada.
Los resultados son muy importantes, pues permitirá a médicos neonatólogos
realizar ensayos preclínicos.
por ser quien ha estado
a mi lado en todo momento, gracias
por darme una familia maravillosa,
gracias por cuidar de ellos,
Dedico este trabajo a mi familia en especial a mis padres, Genaro Pillaca y Rosalía
Garaundo ya que gracias a ellos soy quien soy hoy en día, fueron los que me dieron
ese cariño y calor humano necesario, son los que han velado por mi salud, mis
estudios, mi educación, alimentación, entre otros, son a ellos a quien les
debo todo, hora de consejos, de regaños, de tristezas y alegrías de
las cuales estoy muy seguro que las han hecho con todo el amor
del mundo para formarme como un ser integral y de las
cuales me siento extremadamente orgulloso.
A mis hermanos: Dona, Nelly,
Karina, Marleni, Wilfredo y Zulma les agradezco por estar a mi lado, por
apoyarme, por consentirme, gracias por compartir una etapa de su vida conmigo.
A mis sobrinos: Abel, Cristhian, Klara, Minerva, José, Jimena y Sebastián los quiero
mucho sobrinos, más que mis sobrinos son como mis hermanos menores. A mis
cuñados: Richard, Walter, Armando, Carlos y Ismael los quiero mucho.
Un agradecimiento especial para Patty, gracias por ofrecerme tu total confianza y
por darme tu apoyo en las buenas y en las malas. Para mi amigo y asesor Bruno
Castillón por hacer posible esta tesis. A todos mi amigos de GIDEMS: Edwin,
Matías, Arlon, Anita y Carol; por compartir momentos conmigo. A Jorge por
brindarme una amistad de hermandad, a José por brindarme una amistad sincera.
A mis compañeros quienes me acompañaron en esta etapa de aprendizaje y
conocimientos. A mis profesores quienes me han forjado como un profesional en
esta etapa universitaria.Y a todas las personas que se cruzaron en este camino y
que me dieron palabras de aliento y apoyo. ¡GRACIAS!
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................. iii
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................. viii
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................ 2
1.1 Introducción ................................................................................................ 2
1.2 Justificación ................................................................................................ 2
1.3 Antecedentes .............................................................................................. 3
1.4 Estado del arte ............................................................................................ 3
1.5 Objetivos ..................................................................................................... 4
1.5.1 Objetivo general .......................................................................................... 4
1.5.2 Objetivos específicos .................................................................................. 4
2 MARCO CONCEPTUAL ............................................................................. 5
2.1 Neonatos .................................................................................................... 5
2.2 Incubadoras ................................................................................................ 5
2.2.1 Burbuja Artificial Neonatal (BAN) ................................................................ 5
2.2.2 Burbuja Artificial Neonatal Modelo 3B ......................................................... 5
2.3 Temperatura ............................................................................................... 6
2.4 Sistema de control de procesos .................................................................. 6
2.4.1 Controladores Proporcionales-Integrales-Derivativos (PID) ........................ 7
2.4.2 Implementación digital ................................................................................ 7
2.5 Requerimientos de control de temperatura según norma IEC60601 ........... 7
2.5.1 PLC EASY 821-DC-TCX de MOELLER ...................................................... 8
............... 26 3...................................................................2 Obtención de los parámetros del controlador PID .......2..............2 FASE 2: REINGENIERIA DE LA BURBUJA NEONATAL 3B .....2................5......2...........3 Diseño e implementación del algoritmo de control .................................................................4 Ensayos y reajuste fase 2 .........................................................4 Ensayos y reajuste fase 1 .... 33 3....1 Estudio de la planta de la burbuja neonatal modelo 3B ........................................................................1. 57 4 RESULTADOS ..................1..................................5.........................2 PLC MFD-80-B+AC-CP8-ME de MOELLER .......... 33 3........ 12 3....................... 51 3.............. 18 3.... 15 3............. 11 3........................................................................................1......... 10 2..............................3 Programación del PLC de Moeller .................................. 67 CONCLUSIONES .......................................... 74 BIBLIOGRAFÍA ......................... 73 RECOMENDACIONES....... 54 3................................................... 12 3....2.............................. 75 ii ........................1 FASE 1 ...1................2............................. 10 3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL .....................................................1 Diseño e implementación del subsistema electrónico ............2 Obtención de los parámetros del controlador PID ................................................................3 Diseño e implementación del algoritmo de control ......
....................................14 Figura 3......11 Diagrama de bloques general del algoritmo de control de temperatura 19 Figura 3.........9 Curva de reacción y entrada escalón.2 Descripción de norma IEC 60601-2-19 temperaturas vs tiempo [28]..........11 Figura 3.......................2 Habitáculo de la Burbuja Neonatal modelo 3B .................................. ........16 Figura 3...............1 Diagrama general del control de temperatura............15 Figura 3.............................................. donde se muestra el escalamiento de los datos sensados ..............7 Comportamiento inicial de la temperatura de la Burbuja Neonatal 3B ..........3 PLC EASY 821-DC-TCX interactuando con el PLC MFD-80-B [27].......... ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2...3 PLC EASY 821-DC-TCX de Moeller [27] ....10 Figura 3..........15 Figura 3...... 6 Figura 2..............................4 Diagrama de bloque del módulo adquisición de control [31] .............................12 Interfaz gráfica del programa EASY-SOFT mostrando en diagrama ladder el algoritmo de procesamientos de datos sensados ..........................14 Figura 3.................................. ................13 Figura 3...................... .....8 Etapas para obtener los parámetros del modelo del proceso y del controlador.............. 8 Figura 2......................13 Figura 3...........17 Figura 3............... mostrando el escalamiento de datos programados ....... 9 Figura 2.........4 PLC EASY MFD-80-B de Moeller [27]...................13 Interfaz gráfica del módulo escalado de valores.............1 Burbuja Artificial Neonatal Modelo 3B [7] .........14 Interfaz del módulo escalado de valores...............10 Curva de reacción y método de la tangente de Ziegler y Nichols .............12 Figura 3..............22 Figura 3.......23 iii ..........22 Figura 3................5 Diagrama de bloque etapa actuador [31] ...............................6 Evaluación de temperatura con el “sistema electrónico que permite medir y evaluar la distribución de temperaturas en incubadoras neonatales” ................................................................................
..........26 Figura 3.................................................Figura 3.......................................22 Interfaz gráfica del programa EASY-SOFT mostrando en diagrama ladder el algoritmo de la estrategia de control: variando la ganancia proporcional .....................27 Figura 3.... primer ensayo PID ........................................................................................................................27 Figura 3..............................27 Gráfica variación de temperatura en el tiempo.................23 Gráfica variación de temperatura en el tiempo mostrando el resultado de la estrategia de control.................. mostrando el resultado del control PID del paso 3 .......16 Elección de período de muestreo......................37 iv .....21 Gráfica variación de temperatura en el tiempo...........30 Diagrama esquemático del acondicionamiento del sensor de temperatura ..........................25 Figura 3................25 Figura 3................................................ mostrando los parámetros del controlador ...36 Figura 3.......30 Figura 3.......... resultados del control proporcional puro ........17 Interfaz modulación por ancho de pulso........................15 Interfaz módulo PID..........................3 ms y 2000 ms ................ prueba control ON/OFF .............................24 Gráfica variación de temperatura en el tiempo....... resultado del control proporcional integral ........... resultado paso 2.................................28 Figura 3...............................................................30 Figura 3.......................... mostrando los valores configurados ...................................28 Diagrama de bloques de la reingeniería del subsistema electrónico de la BAN-3B ..........................................................................26 Gráfica variación de temperatura en el tiempo............31 Figura 3.............25 Gráfica variación de temperatura en el tiempo.................................32 Figura 3........................29 Figura 3.........................34 Figura 3........ mostrando el resultado del controlador PID final de la fase 1 ........19 Gráfica variación de temperatura en el tiempo......24 Figura 3............18 Elección del ciclo de duración para el PWM casos presentados para una duración de periodo de 8......29 Diagrama de bloques de la reingeniería del módulo de adquisición ....................................20 Gráfica mostrando la estrategia de control de temperatura ...........................................23 Figura 3......
...........................................45 Esquemático de la reingeniería del subsistema electrónico diseñado para la BAN-3B ........................Figura 3.33 Gráfica variación de temperatura en el tiempo del circuito de acondicionamiento del sensor de temperatura .....................48 Figura 3.......43 Figura 3.....50 Figura 3.........................................37 Figura 3...................45 Figura 3..............................................................32................................................................................44 Figura 3........................46 Board de la reingeniería del subsistema electrónico diseñado para la BAN-3B .....44 Esquemático del acondicionamiento del ventilador ....................... resultados de la simulación del filtro activo pasabajos en el programa FilterPro.............43 Figura 3............................36 Esquemático implementado para la seguridad de temperatura.........48 Figura 3..................... INA122 ..................45 Figura 3........................................35 Configuración de comparador de histéresis mostrando las fórmulas para hallar las resistencias de la configuración histéresis [35].......47 Figura 3..... .46 Figura 3...................41 Figura 3........................7......................42 Esquemático del acondicionamiento del calefactor ..............5 ............... .......39 Figura 3....................38 Resultado de la simulación de histéresis en el osciloscopio digital de Proteus V..............5 .........................37 Esquemático implementado para la simulación de la seguridad de temperatura....51 v ..........40 Figura 3...................................................43 Esquemático del acondicionamiento del compresor...........................................................31 Diagrama esquemático del puente wheastone del acondicionamiento de temperatura ........................7... ............40 Gráfica ganancia y fase v...... Diagrama esquemático del circuito amplificador de señal de temperatura........s frecuencia......... ....................42 Figura 3..................39 Esquemático implementado para la mezcla de gases..................................41 Diagrama de bloques del módulo de potencia ................................34 Esquemático del acondicionamiento del sensor de temperatura seguridad ........................................ histéresis en el programa Proteus V.................................
..61 Diagrama de simulación.......... P=2.......Figura 3......62 Figura 3..5..................... con ganancia 4 ........... P=2.......................62 Resultados del control PI.52 Figura 3.......... con la estrategia de usar 2 controladores ...49 Interfaz gráfica de la aplicación Sistemas de Identificación de Matlab ........................56 Diagrama de bloques en simulink de la planta BAN-3B ............................................................................................ I=3000 y D=50 ..................55 Figura 3...............64 Resultados del control PID.......................52 Curva de reacción fase dos identificando el método de la tangente de Zigler y Nichols .......53 Figura 3...64 vi ..53 Figura 3..................59 Figura 3.........61 Figura 3.. con ganancia 2..60 Estrategia de control de fusionar 2 controladores ..............59 Resultados del control PI...............................63 Resultados del control PID........5............................5 y I=400 ...54 Diagrama de bloques en simulink de la planta..57 Resultados de control proporcional..................65 Resultados del control PID.................58 Figura 3....48 Curva de reacción de la prueba de lazo abierto de la fase 2 ..... .............................5 .59 Figura 3.............................. D=400 ..58 Figura 3..........52 Figura 3......... P=2.....................................................60 Figura 3...........5......... ...........58 Figura 3.................................50 Curvas de simulación de los modelos matemáticos aproximados de la planta.........53 Diagrama de bloques general del algoritmo de control fase 2......................58 Resultados de control proporcional.61 Figura 3.... con la estrategia de control .........64 Figura 3.5 y I=400.5.... fase 2 .........55 Diagrama de bloques en simulink para el controlador PID ideal............. P=2........... I=2500....... bloques............................. I=4000...............51 Modelo matemático de tres polos más tiempo muerto brindados por MATLAB...............................51 Figura 3.......63 Figura 3. P=2....................47 Tarjeta electrónica de la reingeniería del subsistema electrónico implementada para la BAN-3B.........................66 Resultados del control PID.........................54 Figura 3... P=2............... I=3000 y D=400 ........62 Figura 3.......
...........................6 Interfaz gráfica de un sistema electrónico que permite medir y evaluar la distribución de temperaturas en incubadoras neonatales [37]..................5...........................69 Sensores calibrándose con el patrón Ertco-Eutechnics...............................................................................................8 Tarjeta electrónica de la Burbuja Neonatal 3B........01°C y una precisión de ±0....................................................66 Figura 4.............4 Respuesta final del control de temperatura considerando referencia de 33°C .1: Respuesta del control de temperatura de la fase 1 brindado por nuestro sensor de control....................................015°C ..............69 Figura 4.......Figura 3........... .............. 4400 con resolución de 0.9 Curva temperatura vs tiempo verificando la seguridad del control de temperatura ........................................ interactuando con sus sensores y actuadores ............................. verificando la curva del control de temperatura para distintos setpoint.........................7 Diseño del subsistema electrónico para la BAN-3B ....... P=2............................................2 Resultado final del control de temperatura brindado por nuestro sensor de control..........................................................67 Figura 4...........71 Figura 4.. .............70 Figura 4.............70 Interfaz gráfica de un sistema electrónico que permite medir y evaluar la distribución de temperaturas en incubadoras neonatales [37]............... ...........69 Figura 4........................................66 Figura 3.........3 Respuesta final del control de temperatura considerando referencia de 28 °C...72 vii ............ ......................................................................68 Figura 4...67 Resultados del control PID.. ............................ comprobando la curvas temperatura vs tiempo........................................72 Figura 4.......65 Figura 3.......................................5 Respuesta final del control de temperatura para distintos setpoint..................68 Resultados del controlador final para 2 setpoint distintos ...................................70 Figura 4........ I=3000 y D=120 ...65 Figura 3.................................
..56 viii .....................................................3 Períodos de muestreo para distintas variables ...........................................................................................24 Tabla 3............................................................5 Actuadores mostrando sus características resaltantes para el módulo de potencia ................6 Valores del rango lineal de la ecuación temperatura vs valor digital del ADC de la fase 2.........2 Valores del rango lineal de la ecuación temperatura vs valor digital del ADC de la fase 1.................1 Sintonización por el método de Ziegler y Nichols para la fase 1 ..............................35 Tabla 3.......................................................................................................21 Tabla 3...17 Tabla 3....................................................................45 Tabla 3................. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.....4 Sensores mostrando sus características resaltantes para el módulo de adquisición.............
debe lograrse un tiempo de calentamiento menor a 90 minutos y una precisión de estabilidad térmica menor a +/. 1 . INTRODUCCIÓN La burbuja neonatal modelo 3B (equipo médico para la atención de neonatos críticos) que se desarrolló en la Pontificia Universidad Católica del Perú (2008- 2009) basado en la patente de invención US6884211B2.5 ºC según la norma IEC 60601-2-19 sección ocho ítem 50. por consiguiente aún no se puede utilizar en seres vivos. razón por la cual este trabajo de tesis tiene como objetivo diseñar e implementar el control de temperatura para la burbuja neonatal 3B donde al programarse la temperatura en un rango de 25ºC a 37 ºC. apartados 101 Y 108. debido a su inestabilidad. posee un control de temperatura incipiente.0.
la cual está asociada a la dificultad respiratoria. el grupo de investigación de equipos médicos y sistemas (GIDEMS) el cual pertenece a la Sección de Electricidad y Electrónica de la Pontificia Universidad Católica del Perú.1 Introducción El prototipo del control implementado en la planta BAN-3B (Burbuja Artificial Neonatal modelo 3B) no es confiable. Este trabajo de tesis es importante. demostraron que el mantenimiento de los bebés en incubadoras calientes dio lugar una reducción en la mortalidad del 25% [5] [6]. Por el otro extremo podría causar perdida de calor causando hipotermia del neonato. estos signos son más sutiles. hipoglucemia y acidosis. El control de temperatura implementado puede originar errores. CAPÍTULO 1 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1. por consiguiente hemorragia intracraneana.2 Justificación En el Perú. En una serie de ensayos controlados. así como la construcción de incubadoras. 2 . pero sus efectos más graves como la incidencia de enterocolitis necrotizante y con un aumento de la presión en la arteria pulmonar [1] [2] [3] [4]. dificultad para alimentarse. calefacción. por su carencia de robustez. que a su vez puede causar hipertermia en los prematuros. En consecuencia. ventilación. imprecisión y largo tiempo de calentamiento. viene realizando desde 1993 investigaciones y tratamiento de nuevos sistemas de control. 1. surge la necesidad de un control de temperatura en la versión de incubadora neonatal denominada BAN-3B. porque existe una relación clara entre el control de la temperatura y la mortalidad neonatal. y en caso extremo nos llevaría a un exceso de calor. Por lo tanto se puede considerar que es un control incipiente.
posee algoritmos de control para los parámetros ambientales tales como: temperatura. áreas médicas y diseño industrial. En cuanto al control de los parámetro de temperatura. A finales del año 1994 se culmina el desarrollo del primer prototipo de incubadora con un control digital de temperatura. 1. Desde su inicio GIDEMS ha sido una organización multidisciplinaria. (2001-2006) La Burbuja Artificial Neonatal controla (BAN). tipo ON/OFF con un error en estado estable de +/. US6884211B2 [9]). técnico y organizacional. predecesor de la BAN- 3B. El esfuerzo conjunto le ha permitido crear soluciones en el ámbito científico.30 ºC [10].1. este genera condiciones apropiadas de temperatura (rango programable entre de 20°C a 40°C) utilizaron un controlador digital de temperatura. flujo de la mezcla aire-oxígeno y concentración de oxígeno.18 ºC [11]. en ella para realizar el proceso de muestreo y análisis se debe mantener a una temperatura de 20°C con una precisión de ± 0.0. agrupando ingenierías. se obtuvo un error en estado estable de +/.1 ° C.13 ºC [12]. Entre 1995-1999 se empieza a desarrollar un segundo prototipo de incubadora. 3 .0.4 Estado del arte En Estados Unidos se inventa el aparato que sirve para analizar las muestras biológicas en respuesta a la radiación de microondas. se empleó una estrategia de control proporcional. La tecnología desarrollada le ha permitido diseñar patentes reconocidas a nivel mundial (patente de invención EP1380276 [8].3 Antecedentes GIDEMS nace en 1993 para mejorar la calidad de vida de los neonatos de alto riesgo mediante la aplicación de la ingeniería en el desarrollo de equipos de alta tecnología. tipo proporcional integral con un error en estado estable de +/. El grupo GIDEMS ha venido trabajando por más de una década y durante su trayecto ha desarrollado equipos médicos con tecnología propia en el área de Ingeniería Neonatal. para ello usan el controlador PID [13]. optimizar recursos económicos y humanos e incorporar sistemas y elementos con tecnología propia [7].0.
2 ° C en respuesta a los cambios de temperatura del ambiente. 1.5 ºC (IEC 60601-2-19 sección ocho ítem 50. de modo que la temperatura del aire no se vea afectada por la temperatura del exterior [14]. 1. la máquina debe mantener temperatura a 42 º C a través de PID.En la invención de la patente de un aparato de decisiones y almacenamiento de yogurt con tecnología térmica. integral y diferencial) [15]. tiempo de calentamiento menor a 90 minutos y una precisión de estabilidad térmica menor a +/.0.2 Objetivos específicos  Diseñar el control de temperatura  Implementar el control de temperatura  Verificar que el control de temperatura cumpla con la norma de la IEC 60601. 4 . donde comúnmente se debe mantener la temperatura 37 ± 0. obteniéndose un error en estado estable de +/. En la actualidad.13 ºC [12]. En el proceso de la incubación. apartados 101 y 108).5. se empleó una estrategia de control proporcional.0.1 Objetivo general Diseñar e implementar un control de temperatura para Burbuja Neonatal modelo 3B. modelo del cual se parte para la Burbuja Neonatal modelo 3B.5. el autoajuste se realiza por un conjunto de óptimas constantes (proporcional. La Burbuja Neonatal Artificial. ante ello existe la invención de una incubadora de cultivo biológico. el manejo de muestras biológicas destinadas a la experimentación y el análisis de diagnóstico es a menudo limitado por la necesidad de manejar con cuidado las condiciones de la perfusión y la incubación.5 Objetivos 1.
El período inicial del neonato es un tiempo importante porque. por ejemplo a las 26 semanas con 1 día de edad un prematuro pierde más de 50 Kcal/kg en comparación con 10 días de edad. CAPÍTULO 2 2 MARCO CONCEPTUAL 2. quien pierde menos de 5 Kcal/kg [19]. Está demostrado que posee mejores características técnicas funcionales que las incubadoras convencionales [8]. en esta ocurren cambios muy rápidos que repercutirán en el resto de vida de la persona.2 Incubadoras Las incubadoras son aparatos diseñados para producir las condiciones ambientales apropiadas específicas y usadas durante el cuidado de neonatos de alto riesgo. ya que cuando el neonato está sujeto a condiciones ambientales no controladas.1 Neonatos Un neonato es un recién nacido de 4 o menos semanas.2 Burbuja Artificial Neonatal Modelo 3B Prototipo en ejecución. [17] [18].2. 2. En los neonatos la pérdida de temperatura es mucho mayor en el neonato prematuro. Se considera que la mortalidad del neonato es directamente proporcional a la edad gestacional [16]. Este prototipo está dirigido hacia la sierra peruana por consiguiente posee un diseño distinto a la BAN [20].1 Burbuja Artificial Neonatal (BAN) Este equipo brinda a un neonato un ambiente aséptico y con parámetros ambientales controlados. 2. su temperatura corporal tiende a descender a causa de la inmadurez de su sistema nervioso termo regulatorio. versión posterior a la BAN. 5 .2. La edad gestacional con que nace el neonato puede llegar a tener consecuencias mortales. 2.
6 . esta temperatura ideal es difícil de mantener debido a las pérdidas de calor dentro de la incubadora. así como a factores físicos y geométrico- espaciales que impiden mantener una temperatura uniforme y estable dentro de la cápsula donde se aloja al recién nacido [23]. y la más conocida de estas son los controladores: proporcionales – integrales – derivativos. Sin embargo. flujo. nivel de líquido. temperatura. La temperatura ideal para el tratamiento de los recién nacidos prematuros es de 34 ºC.4 Sistema de control de procesos Un sistema de regulación en la que la salida es una variable como presión. Figura 2. humedad. pero difícil de definir. etc. se le denomina sistema de control de proceso [24]. [24]. Los controladores se clasifican de acuerdo a sus acciones de control. Por lo regular se asocia con la actividad molecular del sistema [21]. De aquí se puede extraer que el control de temperatura es un sistema de regulación que tiene como salida la temperatura. o se define como la magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los cuerpos o del ambiente [22]. 2.3 Temperatura La temperatura es una propiedad termodinámica muy utilizada.1 Burbuja Artificial Neonatal Modelo 3B [7] 2.
Requerimientos de seguridad: La temperatura ambiental donde operará la incubadora debe estar entre +20°C y +30°C. Los aspectos más importantes a considerar son el periodo de muestreo y la discretización.5°C. 2.  Sección dos. como la robustez y las intuitivas relaciones entre sus parámetros y la respuesta del sistema [26].5 Requerimientos de control de temperatura según norma IEC60601 La norma internacional IEC 60601 establece rangos de funcionamiento y exigencias para el desarrollo de equipos médicos. Este tipo de controladores no se ha visto desplazado por los modernos algoritmos de control fruto del desarrollo de las áreas de electrónica e informática. 2. El apartado IEC 60601-2-19 está referido a la seguridad en incubadoras neonatales. La prueba más clara de la eficacia de los controladores PID es que la mayoría de los fabricantes están dotando a los reguladores industriales de ajustes de los parámetros del PID. que tenemos en la BAN-3B [27].  Sección ocho apartado 101.. se 7 . Se verificará mediante la siguiente prueba: con el control de temperatura fijado a 12°C por encima de la temperatura ambiental.  Sección ocho apartado 108. Como es el caso del PLC Moeller modelo EASY821-DC-TCX.2..1 Controladores Proporcionales-Integrales-Derivativos (PID) Los controladores PID son los más utilizados (se estima que al menos un 90% de los reguladores empleados en la industria son PID's o variantes del mismo) [25]. Su amplio uso radica en las dos grandes ventajas que proporcionan estos controladores..4. A continuación se hace referencia a los requerimientos térmicos de la norma antes mencionada [28] [29].2 Implementación digital En la actualidad es común la implementación de controladores PID usando microprocesadores.El tiempo de calentamiento del equipo no excederá el 20% del tiempo de calentamiento especificado en las instrucciones.4.En condición de temperatura estabilizada la temperatura de la incubadora no diferirá de la temperatura media de la incubadora en más de 0.
1 PLC EASY 821-DC-TCX de MOELLER Es un controlador lógico programable PLC. el rango del mando de temperatura deberá ir de 30°C o menos hasta no más de 37°C. esta cualidad permite que el equipo pueda ser utilizado en una gran diversidad de procesos de ingeniería. Easy821 posee: Lógica. Figura 2. 8 . temporizador. etc. Proporcionan funciones utilizadas en los sistemas de control basados en elementos tradicionales del tipo de contactores y relés. El easy821 puede realizar muchas tareas en las áreas de ingeniería. interruptor de tiempo y las funciones aritméticas.Para una incubadora regulada por aire. contador. posee bloques funcionales tales como la comparación.2 Descripción de norma IEC 60601-2-19 temperaturas vs tiempo [28] 2. escalonamiento de valores (LS). Una deficiencia de este controlador a comparación con otros del mismo fabricante es que no posee interfaz de usuario (teclado y LCD) [27]. También permiten el procesamiento de señales analógicas.5. por otro lado.  Sección diez apartado 10. PID. ofreciendo a la industria flexibilidad y adaptabilidad a los cambios [30].2). PWM.. Se medirá el tiempo que demore en alcanzar 11°C por encima de la temperatura ambiental (figura 2. encenderá empezando desde una condición fría.
1.3 PLC EASY 821-DC-TCX de Moeller [27] 2. componente derivativo y la componente integral.1 Bloque PID El controlador PID trabaja sobre la base del algoritmo PID. Figura 2.5. la variable manipulada Y(t) es el resultado del cálculo del componente proporcional. Según esto. Y(t) = YP(t) + YI(t) + YD(t) Y(t) = Valor de la componente proporcional YP(t) = Valor de la componente proporcional YI(t) = Valor de la componente integral YD(t) = Valor de la componente derivativo A) Componente proporcional YP(t) = Kp x [Xs(t) – Xi(t)] Kp = Ganancia proporcional Xs(t) = Valor de ajuste (temperatura programada) Xi(t) = Valor real (temperatura sensada) B) Componente integral YI(t) = Kp x Tc/Tn x [Xs(t) – Xi(t)] + YI (t–1) Kp = Ganancia proporcional Tc = Tiempo de exploración Tn = Tiempo de integración (también conocido como tiempo de reposición) Xs(t) = Valor de ajuste (temperatura programada) Xi(t) = Valor real (temperatura sensada) YI(t–1) = Valor de la componente integral en el tiempo t-1 9 .
para así representar cambios en el proceso o realizarlos mediante entradas del usuario [27].C) Componente diferencial YD(t) = Kp x Tv/Tc x (Xi (t–1) – Xi(t) ) Kp = Ganancia proporcional Tc = Tiempo de exploración Tv = Tiempo diferencial del sistema de control (también llamado la tasa de tiempo) Xi(t) = Valor real (temperatura sensada) Xi(t–1) = Valor real en el tiempo t-1(temperatura sensada) 2. memoria disco duro mínimo de 80MB y una resolución de pantalla mínima de 1024x768 [27]. Además. memoria RAM mayor a 128 MB.5.2 PLC MFD-80-B+AC-CP8-ME de MOELLER El aparato MFD dispone de un display LCD y una resolución de 132x64 píxeles con iluminación de fondo. también posee dos LEDs de tapa frontal y nueve teclas de función. Se puede dar la aplicación como aparato de visualización. Windows XP a partir de SP1 o superior [27]. en la cual se crean conexiones entre la pantalla de visualización y el programa.5. Los requisitos mínimos del sistema una velocidad de procesador mayor a 600MHz. 10 .3 Programación del PLC de Moeller Los programas necesarios para programar el PLC EASY 821-DC_TCX y PLC MFD- 80-B son: EASY-SOFT y EASY-SOFT PRO propiedad de Moeller.4 PLC EASY MFD-80-B de Moeller [27] 2. Figura 2. Estos programas son diseñados para un PC con una plataforma Windows 2000 a partir de SP4.
diseño e implementación del algoritmo de control en el PLC EASY 821-DC-TCX.1 se muestra un diagrama de bloques general del control de temperatura. En la segunda fase. obtención de los parámetros del controlador PID. lo cual conlleva a una variación de la planta y un nuevo control de temperatura. con un lazo realimentado conformado por: una etapa de sensado de temperatura. En este capítulo. En la figura 3. CAPÍTULO 3 3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL Introducción Este trabajo de tesis consiste en controlar la temperatura del habitáculo neonatal de la Burbuja Neonatal 3B mediante un PLC. 11 . verificación y reajuste del control de temperatura). un controlador digital (PLC) y una resistencia calefactora.1 Diagrama general del control de temperatura. se realizó el control de temperatura en 4 etapas (estudio de la planta de la Burbuja Neonatal 3B. se realizó una reingeniería de la planta: se diseñó e implementó el subsistema electrónico de la Burbuja Artificial Neonatal modelo 3B. Figura 3. el diseño e implementación del control se dividieron en dos fases: En la primera fase. Se utilizó el algoritmo PID para lograr que la variable controlada del proceso cumpla con las especificaciones de los usuarios.
también conocido como lugar de condiciones apropiadas para que viva un neonato. quien generalmente programa la temperatura entre el rango 25 ºC a 37 ºC con una resolución de 0.1. 3.1 Habitáculo neonatal Recinto de pequeñas dimensiones destinado a ser ocupado por el neonato.1. 12 .1 FASE 1 3. Figura 3.1 Estudio de la planta de la burbuja neonatal modelo 3B En esta etapa se ha realizado el análisis de los componentes de la planta que están relacionados al control de temperatura. controlador digital.1.5 ºC.2 Habitáculo de la Burbuja Neonatal modelo 3B 3.1. módulo de adquisición y control.3.2 Controlador Digital El controlador digital de temperatura es un algoritmo PID que está caracterizado por un conjunto de ecuaciones implementadas en un bloque PID del PLC EASY 821- DC-TCX. actuador. tales como: habitáculo neonatal. y el prototipo de control digital. con una interfaz PLC MFD-80-B+AC-CP8-ME que facilita su programación con el usuario.1.
Figura 3.3 PLC EASY 821-DC-TCX interactuando con el PLC MFD-80-B [27].
3.1.1.3 Módulo de adquisición de control
El desarrollo del acondicionamiento de la señal de temperatura lo realizó el
Ingeniero Electrónico Raúl Chipana [31], como parte de su trabajo de tesis, en el
cual implementó el circuito de adquisición de control.
CIRCUITO DE ADQUISICIÓN DE
SENSOR DE CONTROL PLC
YSI 441A
Amplificador MOELLER
Temperatura Puente PLC DE CONTROL
ambiente neonatal wheatstone I8 EASY821-DC-TCX
(INA125)
Figura 3.4 Diagrama de bloque del módulo adquisición de control [31]
3.1.1.4 Actuador
La potencia que disipa la resistencia calefactora es controlada por el PLC EASY
821-DC-TCX a través de una señal modulación por ancho de pulso generada por el
bloque PWM del PLC.
El ancho de la señal PWM es determinado por la señal de control, dicha señal actúa
sobre el driver de potencia el cual maneja el estado de conducción eléctrica de la
resistencia calefactora. Para la elección del driver de potencia se tomó en cuenta el
proyecto previo mencionado anteriormente.
PLC DRIVER DE BAN-3B
PLC DE CONTROL Q2 CXE 240D5
Figura 3.5 Diagrama de bloque etapa actuador [31]
3.1.1.5 Prototipo del algoritmo del control
La prueba del prototipo del algoritmo de control se realizó programándose a una
temperatura de 32ºC y teniendo como temperatura de ambiente 21.8 ºC, Figura
En la Figura 3.7 se observa un control de temperatura incipiente de la Burbuja
Neonatal 3B, y una estabilidad térmica de +/- 1.5 ºC.
La prueba mencionada se realizó durante 2.8 horas aproximadamente (según
Figura 3.7 10,000 segundos). La medición se hizo con un “sistema electrónico que
permite medir y evaluar la distribución de temperaturas en incubadoras neonatales”
(Figura 3.6), desarrollado en la PUCP por el Bachiller Jorge Coello como parte de
su trabajo tesis.
Figura 3.6 Evaluación de temperatura con el “sistema electrónico que permite medir
y evaluar la distribución de temperaturas en incubadoras neonatales”
Figura 3.7 Comportamiento inicial de la temperatura de la Burbuja Neonatal 3B
3.1.2 Obtención de los parámetros del controlador PID
Para aplicar técnicas de sintonización de los controladores PID fue necesario
identificar primero la dinámica del proceso, para posteriormente obtener los
parámetros para el ajuste del controlador, utilizando el procedimiento de
sintonización deseado.
Señal de Señal de
entrada Prueba del salida Método de Método de
Sistema Identificación Sintonización
Parámetros Parámetros del
del Modelo Controlador PID
Figura 3.8 Etapas para obtener los parámetros del modelo del proceso y del
En la Figura 3.8 se observa cómo se obtiene los parámetros del controlador PID. A
continuación se presenta las tres facetas: Prueba del sistema, método de
identificación, método de sintonización.
3.1.2.1 Faceta 1, prueba del sistema
La curva de reacción del proceso se obtuvo por medio de una prueba de lazo
abierto, en la condición mencionada se aplicó una señal tipo escalón en la entrada
del sistema y se registran, la señal tipo escalón como la salida del proceso, desde
el instante en que se aplicó el escalón de entrada hasta que el sistema alcance un
nuevo punto de operación estable.
Figura 3.9 Curva de reacción y entrada escalón.
3.1.2.2 Faceta 2, identificación del sistema
Las técnicas de identificación se basan en el análisis de la curva de reacción, y son
procedimientos esencialmente gráficos. Para esta etapa se usó la herramienta de
software MATLAB 7.1, la identificación se dio mediante el método de tangente de
Ziegler y Nichols.
El procedimiento requiere que se trace una recta tangente a la curva de reacción
del proceso en su punto de inflexión o de máxima pendiente [32], como se muestra
en la Figura 3.10.
0/RL a 3.55 * e 838.7 s GP   Ecuación 3.1 (T  s  1) (2413  s  1) 3.15 Ti 2.10 Curva de reacción y método de la tangente de Ziegler y Nichols Kp * e  Ls 16.6 17 .4L 323. donde solo se necesita conocer el retraso del sistema L y la razón de reacción R (pendiente de la recta).2.5L 2732.3 Faceta 3.10. integral y derivativa se combinan aprovechamos las ventajas de estas tres acciones de control individual.33/RL 0. Figura 3.9 Td 0. si los efectos de la acción proporcional. Figura 3. Tabla 3.1 Sintonización por el método de Ziegler y Nichols para la fase 1 Ziegler y Nichols Valor Kc 2.1. el procedimiento de sintonización utilizado fue el método de ziegler y Nichols. sintonización del sistema Los métodos de sintonización consisten en hallar los parámetros del controlador PID.
1. 18 . el bloque de PID implementado en simulink. posee un PID de tipo paralelo. se dividió en 4 secciones: La primera fue el módulo de procesamiento de datos sensados del ambiente neonatal. La Figura 3.11 presenta el diagrama de flujo general del algoritmo de control. la tercera sobre el control de temperatura y por último la modulación por ancho de pulso.3. Derivativo= 323.6 Cabe resaltar que la simulación hecha en Matlab. y por el contrario el PLC EASY 821-DC- TCX.1. 3.Por tanto los valores del controlador PID son: Proporcional = 0. posee un PID de tipo ideal.3 Diseño e implementación del algoritmo de control La implementación de algoritmo de control se desarrolló en el PLC EASY 821-DC- TCX en un lenguaje de tipo ladder con el programa EASY-SOFT 6 PRO proporcionado por los fabricantes de dicho PLC.1 Esquema general El algoritmo de control de temperatura para el habitáculo de la Burbuja Neonatal 3B. 3.9. el segundo el módulo de procesamiento de datos programados. Integral= 2732.1.
1885 * V 2  4.2 Módulo de procesamiento de datos sensados Para el caso de la temperatura.912 * V  43.784 Ecuación 3.2 Donde: T es la temperatura en grados centígrados (°C).1. 19 .11 Diagrama de bloques general del algoritmo de control de temperatura 3.3. fue la siguiente: T  0. y V es el voltaje en voltios. INICIO Procesamiento de datos sensados Leer datos sensado de temperatura del ambiemte neonatal Convertir datos sensados a unidades físicas Escalar los datos sensados a 15 bits Procesamiento de datos programados Leer datos programados de temperatura del ambiemte neonatal Escalar los datos programados a 15 bits Control de temperatura Controlar temperatura del ambiente neonatal Modulación por ancho de pulso Generar onda PWM para el calefactor FIN Figura 3. la ecuación con la que se trabajó [31] .
2 y 3. Tomando en consideración estas premisas. con la siguiente parte de la ecuación: T  0. Además. las operaciones con las que cuenta sólo operan números enteros de hasta 32 bits (31 bits.784 Ecuación 3. se decide escalar los valores de los coeficientes por 10n.4 Sin embargo. donde “n” es un número que posteriormente determinaremos.0000179759 * B 2  0.3 obtenemos: T  0.99 voltios.El PLC Easy821-DC-TCX trabaja con un ADC de 10 bits en sus cuatro entradas analógicas. La relación para transformar voltios a un número de 10 bits está dada por la siguiente ecuación:  1023  B  *V Ecuación 3.5 20 . Así. primero se trabajó con los términos lineales de la ecuación y luego se analizó el término cuadrático. y V es el voltaje en voltios.0479676246 * B  43.3  9.784 Ecuación 3. Debido a que el PLC cuenta con un bloque que es capaz de escalar un valor de un rango lineal (LS. Utilizando las ecuaciones 3. por lo que hay que utilizarlos de manera eficiente.99  Donde: B es un número de 10 bits. value scaling). el PLC tiene una cantidad limitada de bloques con los que se puede trabajar. más 1 bit para el signo). y recibe valores de 0 voltios a 9.0479676246 * B  43.
854 921 -0. Luego. con la finalidad de tener mayor precisión.985 328 28.759.884 919 -0. Entrada del ADC.00 14. se procede a analizar el término cuadrático.20 35. Ahora como la entrada del ADC es de 10 bits y se quiere aprovechar las operaciones con números de 31 bits (más 1 que es el signo).286880 -52868800. tenemos la siguiente ecuación que se implementará en el PLC: 1797 * B 2     479676 * B  437840000 T  10  Ecuación 3.844882 128448821.00 Valor de 2^31-1 2147483647. el cual excede el máximo permitido. 231-1 = 2 147 483 647).323 645 12.525 1023 -5. nuestro coeficiente cuadrático quedaría en 1797.Finalmente.179 471 21.394182 -3941822.344971 423449712. Así. se tiene 210 * 210 * Coeficient e  231  1 Ecuación 3.784000 437840000. para obtener el factor.38 20.114 195 34.050619 280506191.12 42.61 43.87 14.972 82 39.98 29.7 10 4 21 . 10 Valor (Ecuación Valor * °C bits 3. Al multiplicar su coeficiente con el factor obtenemos el valor: 179.784 0 43.11 25.267 32 42.5) FACTOR 13.00 FACTOR (107) 10000000 Donde el máximo número “n” al cual se puede elevar el número 10.2 Valores del rango lineal de la ecuación temperatura vs valor digital del ADC de la fase 1 Temperatura.6 Donde el coeficiente permite un número máximo de 211-1 (2047).430313 344303131.249036 422490360.850655 398506547.191249 211912487.Se obtiene la Tabla: Tabla 3. Con esta información podríamos multiplicar el coeficiente cuadrático por 10.96 39.361 30 42.298247 -2982470.80 42. es 7 (debido a que con un ocho se obtendría como valor máximo 4 378 400 000.
los valores escalados irán de 0 a 32 767. que se utilizó para el control de temperatura en el ambiente neonatal.7 que se implementó en el PLC arroja números de 31 bits en el rango de 13 519 a 43 784.El coeficiente 479676. Figura 3. Finalmente. debido a que el bloque de control DC (PID Controller).12 Interfaz gráfica del programa EASY-SOFT mostrando en diagrama ladder el algoritmo de procesamientos de datos sensados La ecuación 3. Además.784 vendría estar representado por el número 43784).13 Interfaz gráfica del módulo escalado de valores.246 se redondeó a 479676.e. Figura 3. requiere este tipo de entrada. 43. por lo que se tiene que escalar estos valores a números de 15 bits. donde se muestra el escalamiento de los datos sensados 22 . se divide entre 104 con la finalidad de tener enteros escalados que tengan 3 decimales (p.
3. mostrando los parámetros del controlador 23 . La salida una palabra marca. que se utilizó para el control de temperatura en el ambiente neonatal. debido que el bloque de control DC (PID Controller). P = 0. I= 2732.6. siendo estos los valores mínimo y máximo para la escala.1. requiere este tipo de entrada. Las entradas del módulo vienen del procesamiento de datos sensados y programados. Se tomó en cuenta para esto que la ecuación de temperatura sensada arroja números de 31 bits en el rango de 13 519 a 43 784. una temperatura de 35. Por ejemplo. Los valores de temperatura de mando se escalarán a números de 15 bits.14 Interfaz del módulo escalado de valores.15 Interfaz módulo PID. el Interfaz de Usuario envía estos valores en grados Celsius multiplicados por 1000 (enteros escalados de 31 bits).1. los valores escalados irán de 0 a 32 767. el cual será entregada al módulo de modulación por ancho de pulso.4 Módulo control de temperatura En este módulo se implementó el controlador PID y se trabajó con los parámetros del controlador obtenidos de la sintonización del sistema. mostrando el escalamiento de datos programados 3.3. Finalmente.7 °C la envía como el valor 35700. Figura 3.3 Módulo de procesamiento de datos programados Para el caso de la temperatura de mando.15. D= 323. Figura 3.9.3.
3 Períodos de muestreo para distintas variables Tipo de Variable Periodo de muestreo.1. 24 .16 Elección de período de muestreo De la Figura 3. el periodo de muestreo de 2 segundos es más que suficiente. Por tanto.16 el período de muestreo máximo a asignar sería (tr/6). 3. un criterio práctico: Entre 6 y 20 medidas durante el tiempo de subida 1 1  1 Tmuestreo    t r  t r  6 20  10 Figura 3.3.El período de muestreo (tiempo de exploración) es crítico para el correcto funcionamiento del sistema de control. s Flujo 1a3 Nivel 5 a 10 Presión 1a5 Temperatura 10 a 20 Por lo expuesto.5 Módulo modulación por ancho de pulso Este módulo es el encargado de generar la onda PWM. porque nuestra planta posee una dinámica lenta. por otro lado se establecieron período de muestreos comunes para procesos: Tabla 3. el período de muestreo seleccionado es 2 segundos. para no tener problemas con relación al período de muestreo ya que esta tiene un efecto de inestabilidad (si el período no llega a muestrear los cambios en el sistema) éste no es el caso. temperatura.
se optó por aumentar el período de duración. se observa que para un período de duración de 8.3 ms y 2000 ms En la Figura 3. ante esta situación como no se puede variar el hardware porque ya es propio de la planta. existiría el problema que el porcentaje de duración de periodo podría no necesariamente caer en el cruce por cero.18 Elección del ciclo de duración para el PWM casos presentados para una duración de periodo de 8. escogiéndose un período de 2 segundos el cual me va a eliminar este problema y cumplirá con mi finalidad de entregar el porcentaje de potencia que se desea al calefactor. En la Figura 3.3ms la señal que llega al calefactor no siempre se da (de 5 periodos mostrados solo se observa que en 2 de ellas existe 25 . el cual no tiene cruce por cero y por tanto si se da un período de 16. mostrando los valores configurados Para la elección del período se tuvo en cuenta que el actuador seleccionado (driver CXE240D5) es de tipo relay. Figura 3.18 se muestra ambos casos mencionados. Figura 3.17 Interfaz modulación por ancho de pulso. el cual es un problema considerable que afectaría al control. que equivale a la corriente alterna común.6 (frecuencia 60Hz). por tanto no se tendría el porcentaje de potencia que se desearía en el calefactor.18 mostrada la visualización se dio a la entrada del calefactor.
se observa dos situaciones: Que existe una estabilidad térmica de +/- 0.4 Ensayos y reajuste fase 1 3. D= 323. los valores del controlador probado se concluyeron de la etapa de identificación y sintonización expuesta previamente (P = 0.señal). la primera.6). en la Figura 3.1. 3. Por tanto se usa una estrategia de fusionar 2 controladores que funcionarán en 2 períodos. 3. I= 2732. por el contrario para un periodo 2000ms no se observa este problema. por tanto existe problema.56 ºC. 26 .2 Paso 2: Implementación y verificación segundo prototipo En el paso 1.1.19 Gráfica variación de temperatura en el tiempo.1.0.9.5 ºC Figura 3.20 se muestra la acción de los controladores. primer ensayo PID En la prueba realizada se obtuvo un tiempo de calentamiento de 93 minutos y una precisión de estabilidad térmica de +/. es un controlador PID con una ganancia elevada y en el segundo período se usará la ganancia obtenida en el paso 1.15.4.1 Paso 1: Implementación y verificación primer prototipo El primer prototipo de control se dio con un controlador PID.56 ºC y por otro lado el tiempo de calentamiento de 93 minutos. Temperatura programada = 36 ºC Temperatura de ambiente = 24.4.
En el cual cambia la ganancia del controlador PID. prueba control ON/OFF En la Figura 3. se desarrolló un control de temperatura on / off.21 se observa que se produce un sobreimpulso de hasta 1.22 se presenta el código de la estrategia planteada. Temperatura programada = 36 ºC Temperatura de ambiente = 23.5 ºC antes de llegar al setpoint. 27 . el controlador PID actuara con ganancia amplia. En la Figura 3.21 Gráfica variación de temperatura en el tiempo.99 ºC Figura 3. por tanto se concluye que a una temperatura previa de 1.20 Gráfica mostrando la estrategia de control de temperatura Para determinar exactamente hasta que valor actuará el controlador PID con ganancia amplia.5 ºC debido a la inercia térmica que posee la planta. Figura 3.
paso1. lo cual se estaría comportando como un controlador ON/OFF pero a medida que dicha diferencia disminuye y se acerca hasta 1. éste produce una señal de control con una potencia al 100%. P = 0. se le dio este valor porque a una diferencia entre la temperatura sensada y programada de 2 ºC. se realizó la prueba del controlador PID normal y el controlador PID con ganancia amplia.9.6 Temperatura programada = 36 ºC Temperatura de ambiente = 24. su señal de control va disminuyendo. Figura 3. I= 2732.5 ºC. Para que finalmente entre en acción el controlador hallado anteriormente.22 Interfaz gráfica del programa EASY-SOFT mostrando en diagrama ladder el algoritmo de la estrategia de control: variando la ganancia proporcional A continuación. D= 323.6 ºC 28 .15. Para la ganancia amplia se escogió un valor de P = 4.
3 Paso 3: Implementación y verificación tercer prototipo Como se puede observar en la etapa 2. Figura 3. quizás era suficiente un derivado de este. (P=0. resultado paso 2 En la Figura 3.23 Gráfica variación de temperatura en el tiempo mostrando el resultado de la estrategia de control. La primera prueba se realizó con un controlador puro proporcional sin acción integral ni derivativa. 3. por lo cual se verá el aporte de cada componente del controlador PID.64 ºC. negativos para la estabilidad térmica.23 se observa que el tiempo de establecimiento ha mejorado enormemente hasta 76. se obtuvo un controlador PID con resultados esperados con respecto al tiempo de calentamiento pero.4. En la búsqueda de una sintonización más fina se optó por ver si necesariamente se necesitaba de un controlador PID.0.22) Temperatura programada = 34 ºC Temperatura de ambiente = 23 ºC 29 .6 minutos y una estabilidad térmica de térmica de +/.1.
1 ºC. resultado del control proporcional integral 30 .25 Gráfica variación de temperatura en el tiempo. por otro lado se observa un error de setpoint de -1. de setpoint.24 se encontró 2 problemas: El error en estado estable va disminuyendo pero aumenta el tiempo de establecimiento.16 y I=2394) Temperatura programada = 36 ºC Temperatura de ambiente = 24ºC Figura 3. Figura 3. resultados del control proporcional puro En la Figura 3. por tanto se concluyó que se necesitaba de una acción integral para que elimine dicho problema.24 Gráfica variación de temperatura en el tiempo. La segunda prueba se realizó con un controlador proporcional integral (P=0.
1. y se aumentó el tiempo derivativo para que las oscilaciones disminuyan. I=2394.16.7.14 ºC. (P=0. I=2233. se disminuyó la ganancia proporcional para obtener menor estabilidad térmica. con los conceptos obtenidos se realizó una sintonización más profunda.4. el error en estado estable fue de +/.43.1. mostrando el resultado del control PID del paso 3 En el ensayo realizado se observó que necesariamente se necesita de un controlador PID. Por tanto se necesita de una acción derivativa. el tiempo de calentamiento fue de 66. (P=0.26 Gráfica variación de temperatura en el tiempo. Pero no se ha eliminado la oscilación.5) Temperatura programada = 36 ºC Temperatura de ambiente = 24ºC 31 .En esta prueba realizada se observa que el error de setpoint se ha eliminado.13. D=361.0. 3. y una estabilidad térmica de +/.5 ºC Figura 3.12) Temperatura programada = 34 ºC Temperatura de ambiente = 22.7 min. la acción integral se disminuye para mejorar el tiempo de establecimiento. D=231.4 Paso 4: Implementación y verificación cuarto prototipo Finalmente.0. La tercera prueba se realizó con un controlador proporcional integral derivativo.
lo cual ocasionó la inoperatividad de este. Figura 3.11 ºC. mostrando el resultado del controlador PID final de la fase 1 Como resultado del cuarto paso. 32 . En el proceso de llegar a un control con mejores respuestas se encontró el problema de sobrecalentamiento del driver que maneja el calefactor. con una estabilidad térmica aproximada de +/.27 Gráfica variación de temperatura en el tiempo. donde el tiempo de calentamiento es de 65 minutos. Estas fallas llevaron a realizar la reingeniería de la planta. lo cual originaba datos erróneos de sensado.0. Además la adquisición de la temperatura era oscilante. se observa un control con mejor desempeño.
2 FASE 2: REINGENIERIA DE LA BURBUJA NEONATAL 3B La reingeniería de la planta consistió en diseñar e implementar el subsistema electrónico.5 a 44. El módulo de adquisición tendrá que cumplir los siguientes objetivos:  Desarrollar un circuito de adquisición de temperatura del ambiente neonatal de [14.5°C para ser enviado al PLC EASY - 821-DC –TXC. unidad de control y la interfaz gráfica. módulo de potencia. ya contaba con todas sus partes: Sensores.1 Diseño e implementación del subsistema electrónico En el diseño e implementación del subsistema electrónico se tomó en cuenta la Burbuja Artificial Neonatal modelo 3B. etc.  Desarrollar un circuito de seguridad de la temperatura del ambiente neonatal. en esta se puede observar 4 bloques importantes: Módulo de adquisición.3.  Desarrollar un circuito de seguridad que permita habilitar o deshabilitar el calefactor independiente del PLC EASY -821-DC –TXC.  Desarrollar un circuito de adaptación entre PLC EASY -821-DC –TXC y el compresor.2. actuadores. En esta fase se diseñará e implementará el módulo de adquisición y potencia.5]°C con una precisión de +/-0.  Desarrollar un circuito de adaptación entre los sensores de flujo y el PLC EASY -821-DC –TXC. En la Figura 3. El módulo de potencia tendrá que cumplir los siguientes objetivos:  Desarrollar un circuito de acondicionamiento para el PLC EASY -821-DC –TXC que permita manejar el calefactor. 33 .28 se observa el diagrama de bloques planteado e implementado para el diseño e implementación del subsistema electrónico de la Burbuja Artificial Neonatal modelo 3B. Por lo que la tarjeta a realizar tenía que adaptarse a esta. 3.
1A) ACTUADORES (12VDC@0.G J.D N/E 20/09/2010 Figura 3.L.8A) Alimentación : BURBUJA ARTIFICIAL NEONATAL Plano Nro: (24DC@0.1A) GIDEMS Grupo de Investigación y Desarrollo de FREDY PILLACA G.P. Ventilador Equipos Médicos y Sistemas T107 Proyecto Ventilador (24DC@0.8A) Alimentación MODELO – 3B Plano : Diagrama de Bloques del Subsistema E1 Electrónico Diseñ Dibujo: Revisado: Escal Fecha: 02/10 o: a: F. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SUBSISTEMA ELECTRÓNICO PLANTA T100 MÓDULO ADQUISICIÓN YSI 441A Temperatura T102 Circuito de T101 ambiente neonatal acoplamiento UNIDAD DE CONTROL AWM5104V PLC821-I7 INTERFAZ GRÁFICA T103 Filtro Activo T101 Flujo (Mezcla) CONTROL PLC821-I11 MOELLER Regulador MOELLER serial MFD Titan DE AWM5104V +10VDC PLC DE CONTROL RS232 T104 MFD-80-B EASY821-DC-TCX T101 PLC821-I12 Flujo (Oxígeno) Filtro Activo A1004SS22P0 Temperatura T105 Circuito de DAC-PLC SENSORES Ambiente neonatal PLC821-Q1 ADC-PLC acoplamiento seguridad T100 MÓDULO DE POTENCIA Driver calefactor BAN-3B Calefactor T108 Calefactor (220VAC@5A) 220 VAC (220VAC@5A) T112 Lámpara de neón estado del calentador T106 Driver T112 Driver Compresor Compresor Compresor Compresor (12VDC@0.C.28 Diagrama de bloques de la reingeniería del subsistema electrónico de la 34 .
1 Módulo de adquisición El circuito de adquisición de control tiene como función recibir las señales de temperatura y de flujo para adecuarlos y entregarlos al PLC.1 Descripción de los sensores Se usó los sensores existentes: sensores de temperatura.2. Las líneas de alimentación a usar son +12Vdc.2 Etapas del módulo de adquisición El circuito de adquisición de control está dividido en bloques funcionales como se muestra en la Figura 3.5 °C  3650Ω YSI 441A habitáculo 44. Está a la vez se agrupa en paquetes y son:  Temperatura del ambiente neonatal  Temperatura del ambiente neonatal seguridad  Flujo de mezcla  Flujo de Oxígeno 35 .1. seguridad 44.1. 3.1.4 Sensores mostrando sus características resaltantes para el módulo de adquisición SENSOR DESCRIPCION CARACTERISTICAS Sensor de temperatura para el 14. Tabla 3.3.1. cada uno de estas variables ingresará a sus respectivos ADC.29.5 °C 5535Ω Honeywell Sensor de flujo de oxígeno y flujo de 20l/m 5V AW5104VN mezcla 0l/m 1V 3. sensores de flujo. GND.2.2.5 °C  1000Ω Sensor de temperatura para el 25 °C  10000Ω Spectrum ES110 habitáculo.1.
1.1. Finalmente. Los sensores de mezcla y oxígeno conectados al terminal T103 y T104 respectivamente pasan por un filtro activo pasa bajos Sallen Key. Es decir. Ante esto.29 Diagrama de bloques de la reingeniería del módulo de adquisición El sensor de temperatura YSI 441A forma parte del Puente de wheatstone por medio de los terminales T102.237 V (D1) es utilizado para brindar precisión en los datos obtenidos del termistor y las resistencias. pero la señal final del puente es pequeña en comparación a nivel de voltaje que recibe el PLC. Este voltaje de 1.2. 36 . 3. la medida fluctúa a ambos lados de un voltaje de equilibrio (normalmente 0 voltios). la señal se amplifica para un mejor tratamiento. Temperatura del ambiente neonatal MÓDULO ADQUISICIÓN YSI 441A Amplificador de Temperatura T102 Puente T101 señal ambiente neonatal Wheastone (INA122P) Temperatura del ambiente neonatal seguridad UNIDAD DE CONTROL CONTROL Habilita o deshabilita Comparador I7 calefactor A1004SS22P0 Temperatura T105 Amplificador de MOELLER Puente I11 DE Ambiente neonatal señal PLC DE CONTROL Wheastone EASY821-DC-TCX seguridad (INA122P) SENSORES Flujo de Mezcla AWM5104V Filtro pasa I12 T103 Seguidor de T101 Flujo (Mezcla) bajos Sallen Voltaje Key Flujo de Oxígeno AWM5104V Filtro pasa T104 Seguidor de T101 Flujo (Oxígeno) bajos Sallen Voltaje Key Figura 3. El Puente de wheastone es una red potencio-métrica doble con medida diferencial de voltaje.3 Temperatura del ambiente neonatal A continuación se describe el circuito diseñado para acondicionar la señal de temperatura proveniente de la cápsula neonatal: Un regulador de voltaje de precisión conformado principalmente por un diodo zener de precisión de 1. El sensor de temperatura A1004SS22P0 está conectada al terminal T105 recibe el mismo acondicionamiento de la temperatura del ambiente para luego ser comparada y finalmente tomar la decisión de habilitar o deshabilitar el calefactor. la señal de temperatura sale por el terminal T101.237V alimenta el puente Wheastone utilizado en la etapa de amplificación. y finalmente las señales de flujo salen hacia el PLC por los terminales T101.
La disposición en puente también es ampliamente utilizada en instrumentación electrónica. siendo una de ellas la resistencia de baja medida.30 Diagrama esquemático del acondicionamiento del sensor de temperatura Puente wheastone El circuito se utiliza inicialmente para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Para ello. el sensor de temperatura forma parte de la red del puente ubicada en el terminal SENSOR_HABIT de la Figura 3. Figura 3.31 Diagrama esquemático del puente wheastone del acondicionamiento de temperatura La diferencia de voltaje entre los puntos VB y VA depende los valores de la resistencia. Figura 3. 37 . se sustituyen una o más resistencias por sensores que al variar su resistencia dan lugar a una salida proporcional a la variación.31. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado.
10 Ecuación 3. El fabricante facilita una tabla de mediciones realizadas bajo condiciones de laboratorio [33].10 Como resultado Se observa una ecuación no lineal.31. Para 14.5 °C el sensor equivale a 3650Ωy 1000Ω respectivamente.8 Desarrollando la ecuación anterior desde el circuito mostrado en la Figura 3.9 Ecuación 3. No necesitamos una ecuación lineal. Ecuación 3. National Semiconductor y Texas Instruments. EEG. Luego de la evaluación de características se determinó el uso del INA122 por tener mejor performance en cuanto a impedancia de entrada (10^10 ohmios). de estos datos se puede extraer una relación de resistividad en función de la temperatura. EMG [34]. Entre estos se tiene a los LM324 y OPA300. relación de rechazo en modo común (80 dB). La función del amplificador es elevar la tensión proveniente del puente Wheatstone hacia el PLC EASY -821-DC –TXC. el puente Wheatstone no será lineal ya que consiste en la diferencia de dos divisores de tensión y estos no tienen naturaleza lineal. 38 . Amplificador de señal Para el análisis y selección del amplificador operacional se compararon los integrados de los fabricantes: Analog Devices. pero si debemos saber el comportamiento de Rs para saber finalmente el comportamiento de la señal de salida del puente Wheastone.5 °C y 44. Finalmente. Ecuación 3. llamaremos por el momento Rs a la resistencia del sensor de temperatura.Para facilitar los cálculos de la diferencia de voltaje. Como mencionamos antes Rs representaba la resistividad del sensor de temperatura YSI441A. además de cumplir con los requerimientos eléctricos mínimos y su alto uso en equipos médicos ECG.
32. con el cual se consigue un voltaje de salida en el rango de 0 a 8. Ecuación 3.64KΩ y 4.0V a 0. La ganancia del amplificador debe ser de 25. La ecuación para el cálculo de la ganancia lo brinda el fabricante: Donde RG es el valor de la resistencia en kΩ ubicada en los pines 1 y 8 del integrado INA122 [34].12 Ecuación 3. Figura 3.81Vdc.13 39 . recordemos que este voltaje lo entrega el puente weatstone. Diagrama esquemático del circuito amplificador de señal de temperatura.11 Ecuación 3.99KΩ.3524Vdc. INA122 Características de la señal de entrada del amplificador: Voltaje de entrada: 0. Para lograr ganancia deseada se cuenta con dos resistencias en serie 4.
1.7684.2.1.10 multiplicada por 25.15 mediante el Excel se obtiene la curva mostrada en la Figura 3. la ecuación 3.14 Ecuación 3. 3.15 Graficando la ecuación 3. Figura 3. el cual es el resultado de multiplicar el Vm por la ganancia G. Es decir. Ecuación 3.33.Finalmente la salida del amplificador es Vt. para esto se puede usar fácilmente el Microsoft Excel. 40 .4 Temperatura del ambiente neonatal seguridad La temperatura de seguridad se perciben dos etapas: adquisición y comparación para habilitar y deshabilitar al calefactor.33 Gráfica variación de temperatura en el tiempo del circuito de acondicionamiento del sensor de temperatura Para obtener la curva temperatura en función al voltaje es necesario hacer una regresión. La ecuación de la temperatura en función del voltaje es importante ya que ayudará en la programación del PLC para realizar el control.
18 Ecuación 3.La adquisición de la temperatura del ambiente neonatal de seguridad básicamente es similar a la de la temperatura del ambiente neonatal: puente wheastone. Ecuación 3. amplificador de señal. esto es según la hoja de datos del fabricante. Entonces Vm varía desde 0.34 Esquemático del acondicionamiento del sensor de temperatura seguridad Puente wheastone y amplificador de señal En el puente wheastone se tiene la ecuación.1777V DC La ganancia del amplificador debe ser de 40.0V a 0.19 41 . Ecuación 3.5 °C. Figura 3.17 El sensor varía de 10000Ω hasta 5535Ω que representa a 25 °C y 44. con el cual se consigue un voltaje de salida en el rango de 0 a 7.16 Ecuación 3. en la Figura 3.3122Vdc.34 se muestra el esquemático de esta.
Figura 3. se procedió a realizar la prueba experimental y para una temperatura de 40 °C.21 Luego. 42 .13369. Comparador Histéresis En esta parte se usa el amplificador operacional LM358 debido a que pueden funcionar con voltajes de suministro tan bajo como 3. Es decir. VCC).35 Configuración de comparador de histéresis mostrando las fórmulas para hallar las resistencias de la configuración histéresis [35]. el cual es el resultado de multiplicar el Vm por la ganancia G. Ecuación 3.Finalmente. la salida del amplificador es Vt. se obtiene un voltaje de 6. El amplificador operacional se usa en la configuración de comparador de histéresis. este dato será de mucha importancia para poder realizar la seguridad.0 V o de hasta 32 V y solo con voltaje positivo (GND. se tiene 2 entradas (voltaje del sensor de seguridad y el voltaje de referencia) con la cual se hace la comparación para poder habilitar o deshabilitar el calefactor.77 V DC. la ecuación 3.17 multiplicada por 41.20 ( ) Ecuación 3.
Figura 3. calculando se obtiene R1= 0.37 Esquemático implementado para la simulación de la seguridad de temperatura. Ecuación 3. se usó el programa Proteus versión 7. histéresis en el programa Proteus V.5 Sp3. una relación de n=5374/0999=5379. Entonces de usa R1=1K Ω y R2=1000K Ω.5 43 .23 Ecuación 3.37 se muestra el esquemático de la simulación. con el fin de acotar el rango de histéresis se considera una relación de 1000.7.999 Y R2=5374.22 Ecuación 3.24 Se tiene 3 variables y 2 incógnitas se coge las 2 primera ecuaciones. En la Figura 3.36 Esquemático implementado para la seguridad de temperatura. Para la simulación de la histéresis. Figura 3.
Observamos la topología del circuito.38 Resultado de la simulación de histéresis en el osciloscopio digital de Proteus V.38 se observa los resultados de la simulación histéresis. y canal B (línea azul) es una onda triangular. Figura 3. la cual representara la señal que llega al PLC (sensor de temperatura).7. 44 . Este circuito entregará los siguientes voltajes para los siguientes valores de flujo: 5V 20l/m 1V  0l/m Los valores del filtro pasabajos se halló con la ayuda del programa FilterPro Versión 3. En la Figura 3.0.39. Observamos que existe un cambio de nivel de alta a baja para un valor de 6.65 VDC.En la Figura 3. 3. La frecuencia de corte del filtro fue calculado experimentalmente (1Hz).2.1.21072 de Texas Instrument.5 En la Figura 3.1.28. Sallen Key.38 se muestran 2 datos: Canal A (línea amarilla) es la salida de la histéresis.5 Flujo de mezcla y Oxígeno El circuito contendrá un filtro activo pasa bajos Sallen Key.9VDC y en el cambio inverso se da para un valor de 6.
calefactor y seguridad del calefactor. Figura 3.2.5 Señal analógica Ventilador 24 VDC 0. La respuesta del filtro tipo Butterworth.51. para la frecuencia de corte de 1Hz y un factor de calidad de 0.4 Brinda un voltaje proporcional a las revoluciones Calefactor 220 VAC 2 45 .5 Actuadores mostrando sus características resaltantes para el módulo de potencia Actuador Voltaje Alimentación Características Compresor 0-24 VDC 0.39 Esquemático implementado para la mezcla de gases. resultados de la simulación del filtro activo pasabajos en el programa FilterPro. Tabla 3. 3. ventilador.1.s frecuencia..40 Gráfica ganancia y fase v. ventilador y calefactor.1.2.2 Módulo de potencia El módulo de potencia se encarga de controlar las cargas eléctricas de los actuadores: compresor.1 Descripción de los actuadores Se usó los actuadores existentes: compresor. para una ganancia de 1. Figura 3.40 se observa el resultado del filtro pasabajos de orden 1. con una topología de circuito SallenKey. En la Figura 3. 3.2.
la salida DAC del PLC EASY 821-DC-TCX va de 0 a 10 VDC a 20mA (DAC-PLC).8A) Alimentación Figura 3.  Temperatura del ambiente neonatal  Flujo de mezcla  Ventilación de anillo térmico MÓDULO DE POTENCIA Viene de Driver calefactor Viene de Histérisis Temperatura del ambiente neonatal Histérisis Calefactor T108 Calefactor (220VAC@2A) 220 VAC (220VAC@2A) UNIDAD DE CONTROL T112 ACTUADORES Lámpara de neón PLC821-Q2 estado del calentador Flujo de Mezcla MOELLER T106 Driver T112 PLC DE CONTROL Compresor Driver Compresor DAC EASY821-DC-TCX Compresor (24VDC@0. este necesita 220VAC hasta 2A de corriente. la salida del controlador es una onda PWM de 22VDC a 20mA.2 Etapas del módulo de potencia El módulo de potencia está dividido en bloques como se muestra en la Figura 3.41 Diagrama de bloques del módulo de potencia La potencia que disipa la resistencia calefactora (T108) es controlada por el PLC EASY 821-DC-TCX (T112) a través de una señal modulación por ancho de pulso generada por el bloque PWM del PLC (PLC821-Q2). para el caso del sensado de las revoluciones del ventilador que es propio de este. se le hace una etapa de filtro para que pueda llegar al controlador primario mermado de ruido. El ventilador no necesita un circuito de adaptación solo se le hace un puente de la fuente hacia el ventilador. por tanto se necesita una etapa de potencia de adaptación.3.2. pero. 46 .5A) ADC Ventilación anillo térmico Ventilador T107 Ventilador (24DC@0.8A) Alimentación (24DC@0.1. 3. El compresor necesita una señal analógica 0.2.1.41.3 Temperatura del ambiente neonatal para la seguridad El regulador del ambiente neonatal es el calefactor.2.2.5A) Compresor (24VDC@0. También se observa la posibilidad de habilitar y deshabilitar la resistencia calefactora por la etapa de seguridad.24 VDC hasta 1 A de corriente (T106).
Además. para proteger los componentes electrónicos.42) se encarga de dar dicha corriente. este es una integración de un emisor infrarrojo de diodo.1. debido a que puede trabajar solo con voltaje positivo.42 Esquemático del acondicionamiento del calefactor 3. lo cual lo hacen ideales para el control de cargas de alto voltaje de corriente alterna [36]. debido a que actuará en casos extremos. Por otro lado. para el lado de la seguridad del calefactor se utiliza un relé. y además es fácil de encontrar en el mercado local.Se eligió para el control del calefactor un relé de estado sólido (S216S02). Se elige el OPAM LM358. Por otro lado. su cambio de estado entre swicheo es mínimo por lo que se usa relé electromecánico (70M-OAC5A). El transistor MJ11032 brinda la corriente que requiere el compresor.4 Flujo de mezcla El compresor es el elemento a regular el flujo de mezcla. 47 . El Opam LM358 amplifica la señal de entrada (configurada amplificación directa) de 0-10VDC a 0-22VDC. pero. y la resistencia R13 (Figura 3.2. para esto se necesita un regulador de voltaje de 10V.2. se elige el transistor MJ11032 que soporta 50A. para excitar a este se necesita una tensión de 10VDC. Para el funcionamiento del S216S02 se le necesita excitar con una corriente de 10mA. se usa un fusible de 3A en una de las líneas de 220VAC. en caso de cortos y excesos de corriente. Figura 3. un detector de phototriac y una salida principal triac. Otro aspecto importante de elección fue que ya se ha trabajado con este relé y se ha obtenido un rendimiento fiable.
pero. se hace una etapa de filtro para que pueda llegar al controlador primario mermado de ruido.2. Para la alimentación del ventilador no necesita un circuito de adaptación. con el objetivo de verificar su buen funcionamiento. se usa una baja resistencia (R11) en la línea del compresor para sensar la corriente. Por último la resistencia R19 y el condensador C3 forman un filtro paso bajo para evitar ruidos de la señal del sensor de corriente. para el caso del sensado de las revoluciones del ventilador (propio del ventilador).5 Ventilación anillo térmico El ventilador necesita 24A hasta 0. Figura 3. Figura 3.1.2.Por otro lado.4A de corriente. Esta debe ser una señal constante no tendrá un directo control por parte del controlador primario. solo se hace un puente de la fuente hacia el ventilador.43 Esquemático del acondicionamiento del compresor 3.44 Esquemático del acondicionamiento del ventilador 48 .
1. compresor.3. -Módulo de potencia para: Calefactor. seguridad calefactor. flujo de oxígeno.45) e implementados (Figura 3. flujo de mezcla. Ambos módulos fueron diseñados (Figura 3.2. temperatura de seguridad.47) de manera satisfactoria.3 Resultados del diseño e implementación del subsistema electrónico Como resultado del diseño del subsistema electrónico tenemos: -Módulo de adquisición para: Temperatura del ambiente neonatal. ventilador. 49 .
45 Esquemático de la reingeniería del subsistema electrónico diseñado para la BAN-3B 50 .Figura 3.
46 Board de la reingeniería del subsistema electrónico diseñado para la BAN-3B Figura 3.2.2 Obtención de los parámetros del controlador PID Para aplicar técnicas de sintonización de los controladores PID se utiliza el mismo procedimiento de la fase 1. Figura 3.47 Tarjeta electrónica de la reingeniería del subsistema electrónico implementada para la BAN-3B 3. 51 .
desde el instante en que se aplicó el escalón de entrada hasta que el sistema alcance un nuevo punto de operación estable.1.2. En la cual ingresamos: Entrada y repuesta de la planta. la señal tipo escalón como la salida del proceso. en la condición mencionada se aplicó una señal tipo escalón en la entrada del sistema y se registran.49 Interfaz gráfica de la aplicación Sistemas de Identificación de Matlab 52 . prueba del sistema La curva de reacción del proceso se obtuvo por medio de una prueba de lazo abierto.2 Etapa 2. Figura 3.2. Esta aplicación brinda el modelo matemático de la planta.48 Curva de reacción de la prueba de lazo abierto de la fase 2 3.2. Figura 3.3.1 Etapa 1. identificación del sistema En esta fase se hace uso de la aplicación sistemas de identificación (System Identification Tool) de Matlab 7.2.
36%. Figura 3.51 Modelo matemático de tres polos más tiempo muerto brindados por MATLAB. Figura 3.25%. por otro lado la función de transferencia de un polo más tiempo muerto (P1D) posee un 94. La mejor respuesta lo posee el de 3er orden más tiempo muerto (P3D) 99. para efectos de simulación se realiza con la función de transferencia de 3 polos.50 Curvas de simulación de los modelos matemáticos aproximados de la planta En la Figura 3.50. se observa la respuesta a los modelos matemáticos aproximados en la cual se aprecia su porcentaje de similitud. 53 .
por método se sintonización de Ziegler y Nichols.2.53 se muestra el diagrama general del algoritmo de control en el cual se resalta la etapa que tuvo cambios a consecuencia de la reingeniería. En la Figura 3.3 Etapa 3.2.3 Diseño e implementación del algoritmo de control La implementación de algoritmo de control en esta fase es igual a la primera.52 Curva de reacción fase dos identificando el método de la tangente de Zigler y Nichols 3. 54 . Figura 3. sintonización del sistema Se halla los valores referenciales del controlador PID. el control de temperatura y la modulación de ancho de pulso es el mismo debido a que no se ha cambiado de PLC. El procesamiento de datos programados.2.3. a excepción del procesamiento de datos sensados.
INICIO Procesamiento de datos sensados Leer datos sensado de temperatura del ambiemte neonatal Convertir datos sensados a unidades físicas Escalar los datos sensados a 15 bits Procesamiento de datos programados Leer datos programados de temperatura del ambiemte neonatal Escalar los datos programados a 15 bits Control de temperatura Controlar temperatura del ambiente neonatal Modulación por ancho de pulso Generar onda PWM para el calefactor FIN Figura 3. 3.3.1 Módulo de procesamiento de datos sensados La ecuación con la que se trabajó. 55 . fue hallada en el condicionamiento de la temperatura del ambiente neonatal (Figura 3.53 Diagrama de bloques general del algoritmo de control fase 2.33).2.
26 obtenemos: Ecuación 3. Primero.6 Valores del rango lineal de la ecuación temperatura vs valor digital del ADC de la fase 2 Entrada del ADC. Utilizando las ecuaciones 3. se trabajó con los términos lineales de la ecuación y luego se analizó el término cuadrático.4213538 15421. La relación para transformar voltios a un número de 10 bits es:  1023  B  *V Ecuación 3.6 162 18. Entonces.5660411 45559. Ecuación 3.3613791 35357.11072 326370948.27 Las operaciones con las que cuenta.8571936 47849.215 153752240 32 15.34368 154213537.3 624 32. se decide escalar los valores de los coeficientes por 10n. 10 Temperatura.016 455660410. con la siguiente parte de la ecuación: Ecuación 3. más 1 bit para el signo).2361921 44229. Valor (Ecuación Valor * bits °C 3.00 FACTOR (107) 10000000 56 . sólo operan números enteros de hasta 32 bits (31 bits. El PLC Easy821-DC-TCX trabaja con un ADC de 10 bits.63 353613790.28) FACTOR 0 14.25 y 3.593577 18593. Así.1 960 45.6 Valor de 2^31-1 2147483647. donde „‟n” es un número que posteriormente determinaremos.9 700 35.4 420 25.8 1014 47.693 14693 146930000 30 15.375224 15375.62528 442361921.8 928 44.25 Dónde: T es la temperatura en grados centígrados (°C).99  Dónde: B es un número de 10 bits. y V es el voltaje en voltios.666 259030280.36012 478571935.26  9.8 Se obtiene la Tabla: Tabla 3.903028 25901.6370949 32634.36708 185935770. y V es el voltaje en voltios.
Luego.4 Ensayos y reajuste fase 2 3.Donde.2. coeficiente permite un número máximo de 211-1 (2047). el cual excede el máximo permitido.1 Paso 1: Implementación y verificación primer prototipo Una vez implementado el algoritmo de control después de la reingeniería. 231-1 = 2 147 483 647).2.4. nuestro coeficiente cuadrático quedaría en 1012. tenemos la siguiente ecuación que se implementará en el PLC: 1012 * B 2     224369 * B  146930000 T  10  Ecuación 3. es 7 (debido a que con un ocho se obtendría como valor máximo 4 785719356. el máximo número n al cual se puede elevar el número 10. Y se realizaron pruebas a la planta. Finalmente. se realizaron pruebas en simulink. Así. Al multiplicar su coeficiente con el factor obtenemos el valor: 101. como la entrada del ADC es de 10 bits. con la finalidad de tener mayor precisión.29 Donde. Ahora. se tiene la siguiente relación: 210  210  Coeficient e  231  1 Ecuación 3. se procede a analizar el término cuadrático. Con esta información podríamos multiplicar el coeficiente cuadrático por 10. y se quiere aprovechar las operaciones con números de 31 bits (más 1 que es el signo).30 10 4 3.275. para obtener el factor. 57 .
55 Diagrama de bloques en simulink para el controlador PID ideal Figura 3. Figura 3.54 Diagrama de bloques en simulink de la planta. fase 2 Figura 3.2 ºC 58 . Temperatura programada = 28 ºC Temperatura de ambiente = 21.56 Diagrama de bloques en simulink de la planta BAN-3B El primer prototipo de control se dio con un controlador Proporcional. los valores del controlador probado se concluyeron de la etapa de identificación y sintonización expuesta previamente (P =4).
Temperatura programada = 37 ºC Temperatura de ambiente = 32.5 ºC Figura 3.57 Resultados de control proporcional. También. Además la respuesta de la planta es oscilatoria por ende buscamos otra ganancia. con ganancia 4 En la Figura 3.57 se tiene 2 curvas: simulación en SIMULINK y la respuesta de la planta para el controlador.58 Resultados de control proporcional.5 59 . con ganancia 2. con menor ganancia con el fin de no hacer oscilar (P=2. Figura 3. se observa que ambas tienen un error de setpoint. El segundo prototipo de control se dio con un controlador Proporcional. se observa un parecido entre la simulación y la respuesta real de la planta.5).
2 Paso 2: Implementación y verificación segundo prototipo La estrategia de control consiste en la acción de 2 controladores. El tercer prototipo de control se dio con un controlador Proporcional Integral (P=2.59 Resultados del control PI.5 y I=400 Prueba realizada para un PI.58 la respuesta de la planta ya no posee oscilación pero todavía tiene error de setpoint. Temperatura programada = 31 ºC Temperatura de ambiente = 23 ºC Figura 3.4 °C. 3.59. Por tanto. observada en la Figura 3. necesita de una variable integral para eliminar el error en estado estacionario. Esta estrategia se hace con el fin de evitar la saturación de la acción integral.5.2. lo cual conlleva a un sobreimpulso. Se observa claramente que existe un sobreimpulso de 1.En la Figura 3.4. P=2. en la primera etapa se usará un controlador netamente proporcional de ganancia alta (P=4) para posteriormente actuar el controlador PI. Además esta estrategia disminuye el tiempo de subida. 60 . con el fin de evitar este sobreimpulso se fusiona 2 controladores que actúen en situaciones distintas. I=4000). lo cual es favorable.
61 Diagrama de simulación. bloques. I=4000).5.60 Estrategia de control de fusionar 2 controladores Figura 3. con la estrategia de usar 2 controladores En la Figura 3. se aprecia el diagrama de bloques de la estrategia de control (fusionando 2 controladores) para poder simularlo en SIMULINK. Temperatura programada = 33 ºC Temperatura de ambiente = 29 ºC 61 . Figura 3. Controlador Proporcional Integral.61. (P=2.
Figura 3. I=4000. D=400 62 . P=2. Controlador Proporcional Integral Derivativa. D=400).62 Resultados del control PI. con la estrategia de control En la Figura 3. (P=2.4 ºC Figura 3.62 se observa que antes de llegar al setpoint existe oscilaciones por tanto se le adicionara la constante derivativa para evitar dichas oscilaciones. P=2.5 y I=400.5. I=4000.5.63 Resultados del control PID. Temperatura programada = 33 ºC Temperatura de ambiente = 28.
(P=2. Controlador Proporcional Integral Derivativa.63. 3.5. por tanto se podría seguir aumentando acción derivativa para evitar las oscilaciones. pero esto conllevaría a un aumento del tiempo de establecimiento.8 ºC Figura 3.4.64. se observa. D=400).3 Paso 3: Implementación y verificación tercer prototipo Controlador Proporcional Integral Derivativa. esto se debe a la alta acción de la componente derivativa.55). cambiamos de Ti=4000 a Ti=3000 (PID ideal. se observa que desapareció la oscilación antes de llegar al setpoint. por tanto se decide primero buscar la acción proporcional e integral adecuada antes de encontrar la componente derivativa. pero aumentó el tiempo de establecimiento. P=2. Ti inversamente proporcional a la acción integral. Figura 3.5. I=2500).En la Figura 3. I=3000. Entonces lo que se necesita es de más acción integral. la respuesta mejoró en las oscilaciones.5.64 Resultados del control PID.2. Temperatura programada = 28 ºC Temperatura de ambiente = 22. I=3000 y D=400 En la Figura 3. (P=2. Temperatura programada = 28 ºC Temperatura de ambiente = 23 ºC 63 .
5. I=3000 y D=50 64 . P=2. Controlador Proporcional Integral Derivativa. Temperatura programada = 28 ºC Temperatura de ambiente = 23. I=2500. I=2500 Observamos claramente que se la respuesta a mejorado enormemente. por tanto ahora solo queda añadirle una acción derivativa baja para quitar esa oscilación diminuta que se observa. son las que mejor se adecuan al sistema. Por tanto se decide aumentarle una acción derivativa. Figura 3.66 Resultados del control PID.5.65 Resultados del control PID.5. D=50). P=2. (P=2.2 ºC Figura 3. entonces se concluye que estas constantes proporcional e integral.
3 ºC Figura 3. Controlador Proporcional Integral Derivativa. entonces se concluye que estas son las acciones del controlador PID.5. pero se puede llegar a obtener mejores resultados. I=2500.68 Resultados del controlador final para 2 setpoint distintos 65 . Figura 3. se observa una prueba del controlador de la planta para 2 puntos de referencia 28. ya prácticamente ha desaparecido. por tanto se decide aumentar la acción derivativa. En la Figura 3. I=2500. (P=2. D=120). D=120. I=3000 y D=120 Finalmente se observa la oscilación en el segundo pico. 29 ºC. P=2. Temperatura programada = 28 ºC Temperatura de ambiente = 22. finales.67 Resultados del control PID.Observamos con la adición de la acción integral ha disminuido considerablemente la oscilación en el segundo pico.68.5. P=2.5.
66 .69.015°C Figura 3.Se comprobó el control de temperatura (Figura 3. que previamente fue calibrado con el patrón Ertco – Eutechnics 4400 con una resolución de 0.015°C Figura 3. con un sistema de medición de temperatura para incubadoras. Figura 3.70). 4400 con resolución de 0. comprobando la curvas temperatura vs tiempo.01°C y una precisión de ±0.01 ºC y una precisión de ±0.70 Interfaz gráfica de un sistema electrónico que permite medir y evaluar la distribución de temperaturas en incubadoras neonatales [37].69 Sensores calibrándose con el patrón Ertco-Eutechnics.
(Figura 4.7.7. el algoritmo de control posee un control PID cuyos coeficientes de sintonización en un primer momento son P=4.13.1: Respuesta del control de temperatura de la fase 1 brindado por nuestro sensor de control. Figura 4. D=361.1). CAPÍTULO 4 4 RESULTADOS En la fase 1.5. D=361. con una estabilidad térmica menor a +/- 0. 67 .11 ºC. I=2233.5 y luego son: P=0. El tiempo de calentamiento es 65 minutos. I=2233. esto con el fin de reducir el tiempo de subida. El control de temperatura de la Burbuja Neonatal 3B en esta fase fue aceptable.
PID).2 ºC Figura 4. D=120). apartados 101 y 108. También se realizaron pruebas para otros casos de programación: Temperatura programada = 28 ºC Temperatura de ambiente = 22. Programación de control de temperatura según norma IEC 60601 (Figura 2. esto con el fin de reducir el tiempo de subida y obtener una mejor respuesta.0. el algoritmo de control actualmente posee 2 tipos de controles (P.En la fase 2. I=2500.0.menor a la norma +/. donde el tiempo de calentamiento es 63.2 Resultado final del control de temperatura brindado por nuestro sensor de control.2).5. El resultado final es el control de temperatura de la Burbuja Neonatal 3B implementado exitosamente.4 ºC 68 . Temperatura programada = 25 ºC Temperatura de ambiente = 23.2).5 ºC (Figura 4. De esta manera es posible cumplir con los requerimientos de control de temperatura según norma IEC 60601- 2-19 sección ocho ítem 50.08 ºC .2 minutos lo cual es menor al exigido 90 minutos. con una estabilidad térmica menor a +/. En un primer momento actúa el controlador proporcional (P=4) y luego actúa el controlador PID (P=2.
con estas gráficas observamos la robustez del controlador PID presentado. Los siguientes resultados mostrados son para distintos puntos de programación. Temperatura programada = 28 a 33 ºC 69 . En la Figura 4.3 Respuesta final del control de temperatura considerando referencia de 28 °C. Temperatura programada = 33 ºC Temperatura de ambiente neonatal = 35 ºC Figura 4.3 se observa el resultado para una programación distinta a la pedida por la norma IEC 60601. una programación por debajo de la temperatura del habitáculo.4 se observa. Figura 4.4 Respuesta final del control de temperatura considerando referencia de 33°C En la Figura 4.
69. En la Figura 4. Figura 3. Figura 4. Además se realizó la verificación del control de temperatura con un sistema de medición para incubadoras que previamente fue calibrado. verificando la curva del control de temperatura para distintos setpoint. 31. 70 .5 Respuesta final del control de temperatura para distintos setpoint.5 ºC Figura 4.6 Interfaz gráfica de un sistema electrónico que permite medir y evaluar la distribución de temperaturas en incubadoras neonatales [37]. 29. 32. la repuesta del control de temperatura considerando distintos puntos de referencia 28. 30. 33 °C.5 se observa.Temperatura de ambiente = 22.
En la Figura 4.7 Figura 4. La reingeniería del subsistema electrónico para la Burbuja Neonatal 3B fue diseñado e implementado exitosamente.7 Diseño del subsistema electrónico para la BAN-3B 71 . Otros Resultados. como se muestran en las Figura 4.6 se observa el desempeño del controlador.8. mediante sensores (ajenos al sistema de control) ubicados en los extremos medios del habitáculo neonatal. Figura 4.
Para verificar se le dio al sistema un PWM del 100%. Figura 4.9 se observa la seguridad del control de temperatura que se desarrolló en la reingeniería de la Burbuja Neonatal 3B. Figura 4. se observa la curva de la temperatura del habitáculo la cual no paso los 40°C. interactuando con sus sensores y actuadores En la Figura 4.8 Tarjeta electrónica de la Burbuja Neonatal 3B.9 Curva temperatura vs tiempo verificando la seguridad del control de temperatura 72 .
PID para el control de temperatura.5 ºC.0. relé de contaje y salto condicional. se desprenden las siguientes conclusiones relevantes: El control de temperatura implementado en la Burbuja Neonatal modelo 3B cumplió satisfactoriamente con la norma (IEC 60601-2-19 sección ocho ítem 50.08 ºC. menor a la norma +/. Se diseñó e implementó el algoritmo de control de temperatura en el PLC EASY 821-DC-TCX en lenguaje ladder con el programa EASY-SOFT PRO propiedad de Moeller y la ayuda de los bloques: PID. dado que la sintonización preliminar escogida. Donde el tiempo de calentamiento es 63. tiempo de ciclo teórico. comparador.25% respectivamente. llegando a los resultados presentados. con una estabilidad térmica menor a +/. Se pudo comprobar que el método de identificación escogido no fue el óptimo. en donde fue exitosa la construcción de la tarjeta de adquisición y potencia.CONCLUSIONES Del desarrollo de un control de temperatura para la Burbuja Neonatal 3B.92% y 94. En cuanto a la obtención de los parámetros del controlador PID. no dio los resultados esperados. estos 5 últimos bloques nos ayudaron a realizar la estrategia de control el cual consiste en usar 2 controladores P. Pese a que se tuvo que realizar la reingeniería total del subsistema electrónico de la Burbuja Neonatal 3B. modulación por ancho de pulso. multiplexor de datos. módulo de datos.36% a comparación con un modelo de segundo y primer orden los cuales nos brindaron una aproximación de 98. aritmética.2 minutos lo cual es menor al exigido 90 minutos. 73 . se logró encontrar un modelo de tercer orden más tiempo muerto de la planta y comprobar su respuesta a cambios en el valor deseado ya que se aproximó bien el comportamiento real del equipo. escalamiento de valores. Cabe resaltar que el modelo obtenido tiene una aproximación del 99.0. apartados 101 y 108). Finalmente con los conceptos obtenidos se realizó una sintonización más profunda.
porque la identificación por el método de la tangente de Ziegler y Nichols no te brinda un modelo aproximado debido a que son esencialmente métodos gráficos manuales. no necesariamente son los esperados. si te ayudan a obtener una referencia aproximado de los valores finales. fue elegido. Por el contrario. pues permitirá a médicos neonatólogos realizar ensayos preclínicos. debido que la sintonización no es única. Existen muchos métodos que han quedado fuera de esta investigación y sería importante. Las simulaciones en la reingeniería: comparación por histéresis. Con una sintonización fina del controlador PID se pueden llegar a mejores resultados. Los resultados del proyecto son muy importantes. someterlos a un análisis. entre otras cosas. por la facilidad que dan para hallar el modelo de la planta. filtro pasabajos y modelo matemático de la planta BAN-3B son útiles porque brinda un acercamiento a la realidad. El método de identificación y sintonización utilizado en esta investigación.RECOMENDACIONES Para hallar el modelo de la planta es recomendable utilizar la aplicación identificación de sistemas de MATLAB. La obtención de los parámetros del controlador PID por métodos de sintonización. 74 .
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