1 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 CONTROL DIFUSO PARA TANQUES DE AGUA DE USO RESIDENCIAL Fuzzy control of water tanks for residential use RESUMEN El presente artículo ilustra el diseño de un módulo de control basado en un microcontrolador, el cual permite regular el nivel de agua para tanques de almacenamiento de uso residencial. Se emplea un sistema de inferencia difusa para controlar un variador de velocidad encargado de operar una motobomba, en función del nivel del tanque. Se logró obtener un módulo de control fácil de operar y que compite con soluciones presentes en el mercado. Palabras clave: control difuso, control de nivel, tanque de agua. ABSTRACT This article illustrates the design of a control module based on a microcontroller, which enables to regulate the level of water storage tanks for residential use. Fuzzy inference system is used to control a variable speed drive charge of operating a motor pump, depending on the level of the tank. We managed to get an easy to operate control module that competes with existing solutions on the market. FRANK PÉREZ Ingeniero electrónico. Universidad Antonio Nariño RÓBINSON JIMÉNEZ M Ingeniero electrónico, M. Sc. Profesor Universidad Autónoma de Colombia jimenez.robinson@fuac.edu.co DANIEL E. ÁVILA VELANDIA Ingeniero electrónico, M. Sc. Profesor Universidad Autónoma de Colombia daniel.avila@fuac.edu.co Keywords: fuzzy control, level control, water tank. 1. INTRODUCCIÓN Desde su aparición, hace casi 50 años, la lógica difusa ha cobrado fuerza en muchas aplicaciones de diferente tipo. En particular en el área de automatización se encuentran varios trabajos que reflejan este hecho, por ejemplo, en [1] se presenta un desarrollo basado en lógica difusa a fin de automatizar el sistema de semaforización en relación a la densidad de flujo vehicular. Por esta vía, en [2] se presenta el diseño de un controlador difuso para un sistema de frenado automático y en [3] se desarrolla un sistema de inferencia difuso para la guía de un vehículo cuando el conductor presenta estados de cansancio. En [4] se presenta una comparación entre un controlador proporcional integral y uno difuso para disminuir las variaciones de frecuencia y potencia en las líneas de transmisión de un sistema de generación de energía hidrotermal, destacando el mejor desempeño del controlador difuso. En [5] se presenta un diseño para un controlador mixto neurodifuso, con el objeto de controlar dos tanques acoplados resaltando las bondades de los sistemas difusos para operar con modelos no lineales. En [6], [7] y [8] se presentan diseños de controladores difusos para el control de nivel de un tanque en diferentes sistemas. En los diferentes trabajos relacionados, se encuentra que los sistemas difusos son implementados o en un equipo de cómputo o en un dispositivo microcontrolado. En [10] se presenta una comparación básica de algunas Fecha de Recepción: 22 de septiembre de 2014 Fecha de Aceptación: 1 de octubre de 2014 arquitecturas de microcontroladores, implementar un controlador difuso. a fin de Todo esto refleja el potencial de la lógica difusa para aplicaciones de automatización. Debido a esto, en el presente artículo se desarrolla un controlador difuso implementado en un microcontrolador 18f2550 de microchip en torno a una aplicación de control de nivel mediante un sistema difuso. En adelante, el documento está organizado de la siguiente forma: en la sección 2 se describe el entorno de la aplicación, en la sección 3 se describe el diseño del controlador difuso a implementar, en la sección 4 se presenta el análisis de resultados y finalmente en la sección 5 las conclusiones. 2. ENTORNO DE APLICACIÓN En la figura 1 se ilustra el diagrama de bloques correspondiente al entorno de aplicación, en donde la entrada es agua, la cual ingresa inicialmente al tanque general subterráneo de los edificios y de donde esta es llevada mediante motobombas al tanque elevado, punto donde se desea integrar el controlador difuso. 2 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 La motobomba características: Figura 1. Diagrama de bloques del sistema. Las características típicas de los tanques de uso residencial son: •Capacidad 2000 Lts. •H = 1,55 mts. •D1 = 1,22 mts. •D= 1,52 mts. •H1 = 0,28 mts. La figura 2 ilustra el tipo de tanque utilizado, donde el parámetro principal de interés corresponde a la altura H, la cual determinará el universo de discurso de entrada del controlador de nivel difuso. Este universo de discurso caracterizado dentro del microcontrolador que gobernará el proceso de control, generará una respuesta del mismo al producirse el consumo de agua desde el tanque. Esta respuesta corresponde a la salida defuzificada del controlador, la cual comandará un variador de velocidad, que mediante el sistema trifásico regula el estado de la motobomba de llenado del tanque. utilizada tiene las siguientes Centrífuga de eje horizontal para 3600 R.P.M. Motor eléctrico tipo jaula de ardilla a prueba de humedad. Tensión conmutable de 220 a 440. Motor con capacidad de 2.5 HP. Caudal 14.38 Litros/segundo. Presión en la descarga de 69.65 Metros de columna de agua. Tubería de succión de 3”. En función al consumo de corriente y la potencia de la motobomba, es posible escoger el calibre de cable apto para el buen desempeño del montaje trifásico. De aquí los cálculos para determinar el consumo de corriente, se realizan teniendo en cuenta que la conexión del motor es Delta y partiendo de la Eq. (1). VL = Vf = 220V P = √3*Vl*Il*cos∅ (1) Donde: P = Potencia VL = Voltaje de línea Vf = Voltaje de fase Cos ∅= Angulo de desfase = 1 Como la potencia del motor está dada en caballos de fuerza (HP), y dado que un HP equivale a 746W, se tiene: P = 2,5 hp * 746W = 1,86 Kw Por lo que despejando de la Eq. 1, se tiene para hallar la corriente que: Il=P/(√3*Vl*cos∅) Il=4,88 A ≅5 A De acuerdo con los cálculos obtenidos, es posible realizar la selección de los elementos necesarios para la instalación trifásica. El sistema trifásico de este proyecto cuenta con los siguientes elementos. Figura 2. Tanque de agua de uso residencial. En la figura 3 se ilustra el diagrama de bloques general de la etapa de control de la motobomba. Figura 3. Diagrama de bloques del actuador. • • • • • • • • • Relés de estado solido Guardamotor Fusible trifásico Relé térmico LCD gráfica Elaboración de circuito impreso Microcontroladores Contactores Variador de velocidad Schneider En la figura 4 se representa el acople del sistema lógico con la potencia trifásica que maneja el motor, con ayuda del variador de velocidad que finalmente es el encargado Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 de controlar las velocidades del motor, de acuerdo al nivel de agua que hay en el tanque. 3 Se puede apreciar que la prioridad es mantener lleno el tanque por más consumo que se produzca, esto hace que la etiqueta lingüística B, tenga un soporte mayor al de las demás. La figura 6 ilustra el universo de discurso de salida determinado por la experiencia de algunos de los operarios de sistemas tradicionales que trabajan con variadores de velocidad. Figura 6. Universo de discurso de salida. El conjunto de reglas utilizado, correspondiente al error del nivel actual del tanque con el deseado, el cual será configurable, está determinado por las siguientes relaciones: Figura 4. Sistema trifásico motobombas. 3. CONTROLADOR DIFUSO Como se mencionó, del parámetro H, que corresponde a la altura del tanque, se establece el universo de discurso de entrada. Teniendo que se toma una entrada analógica del microcontrolador para disminuir el número de conexiones, se puede establecer una variación continua que interprete el microcontrolador y extrapole directamente al universo de discurso, el nivel de agua en el tanque. Para ello se establece las siguientes relaciones: 1. Nivel alto >1.4 mts. equivalente a 4.7 Voltios 2. Nivel medio alto 1.3 mts. equivalente a 4,3 Voltios 3. Nivel medio 1,2 mts. equivalente a 4,0 Voltios 4. Nivel medio bajo 1,1 mts. equivalente a 3,7 Voltios 5. Nivel bajo < 0,95 mts. equivalente a 3,2 Voltios Denotando cada nivel con las etiquetas lingüísticas B para bajo, MB para nivel medio bajo, M para nivel medio, MA para nivel medio alto y A para el nivel alto. Esto en un universo de discurso cuyo rango va de 0 a 5. La figura 5 ilustra el universo de discurso de entrada según las relaciones establecidas. If (error es bajo) and (nivel alto) then (señal de salida cero). If (error es medio bajo) and (nivel medio alto) then (25% señal de salida). If (error es medio) and (nivel medio) then (50% señal de salida). If (error es medio alto) and (nivel medio bajo) then (75% señal de salida). If (error es alto) and (nivel bajo) then (100% señal de salida). Para implementar estas reglas de inferencia en el microcontrolador, se utiliza el algoritmo de inferencia mamdani, que se ilustra en la figura 7. Figura 7. Algoritmo de inferencia Mamdani. [10]. La salida de control para el variador corresponde a la defuzificación de las reglas activadas, para el caso se opta por el método de centro de gravedad (CoG), ilustrado en la Eq. 2. (2) Figura 5. Universo de discurso de entrada. 4 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 Este método de defuzzyficación permite que el resultado obtenido, para una activación de reglas determinada, cubra la mayor parte del universo de discurso de salida, para el caso del COG se tiene del 2 al 97 por ciento, mientras que otros métodos convencionales como el medio de los máximos MOM, permite obtener del 3 al 95,4 por ciento. Los menús de navegación son cuatro, como se ilustra en la figura 10. El primer menú permite configurar las características del tanque y del controlador, el segundo permite configurar el Ds1307 para ajustar hora y fecha, el tercero el menú de supervisión y el cuarto la configuración de alarmas por fallo. 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS El sistema fue implementado en un microcontrolador de la familia PIC 18 de microchip, programado en lenguaje C. Se diseñó una interfaz de visualización para una LCD gráfica, que permitiese al operador establecer los parámetros de configuración para cualquier tipo de tanque y del nivel de llenado deseado. La figura. 8 ilustra el ambiente de simulación del algoritmo de control implementado. Figura 10. Menús de configuración del módulo. El menú de configuración del tanque (Fig. 11) permite establecer las características del mismo a fin de tener un sistema genérico, ante el cual el universo de discurso de entrada se extrapole. Figura 8. Simulación de algoritmo de control. El operador puede acceder al sistema mediante un panel de comando, formado por cuatro botones, que permiten el desplazamiento del cursor en la LCD gráfica y navegar en los diferentes menús de configuración. La Fig. 9 ilustra el diagrama de bloques del sistema de programación del módulo, el cual incluye la configuración de un módulo de temporización basado en un reloj de tiempo real Ds1307. Figura 11. Menú de configuración del tanque. Calculando el tiempo de llenado del tanque de acuerdo a las características técnicas de la motobomba, es decir, un volumen del tanque de 2000 lts y un caudal de la motobomba de 14,38 litros por segundo, se tiene: Q=V/t t= V/Q t=(2000 lts)/(14,38 lts/s) t=139 seg ≅2,3 min Donde se puede evidenciar que el proceso es lento frente a la ejecución de tiempos del microcontrolador, la cual en función a un oscilador de 20 MHz está por debajo de los 50 milisegundos. Figura 9. Diagrama de bloques del sistema de programación del módulo. La figura 12 ilustra el dispositivo final ya ensamblado, las pruebas de funcionamiento permitieron establecer Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 tiempos reales de llenado desde la condición de vacío, de 3, 1 minutos, que se debe a los retrasos en la activación, transporte del agua al tanque (altura del edificio) y la gravedad. 5 el sistema difuso controla directamente el motor. Debido a que el sensor de ultrasonido presenta una variación de voltaje proporcional facilitando la fuzificación y control del variador de velocidad, el motor sólo se acciona cuando el nivel de agua disminuye, reflejándose como mayor eficiencia en el sistema. N. BIBLIOGRAFÍA Figura 12. Dispositivo final. Pruebas con diferentes operarios permitieron establecer la fácil configuración del módulo. Así mismo, pruebas de medio vaciado del tanque permitieron evidenciar la acción oportuna y correcta del controlador, con errores de estado estacionario de máximo un 6 % del nivel de llenado, derivados de errores en la medición por turbulencia del agua e imposibilidad de compensar errores negativos por parte del sistema. No siendo significativo para el tipo de aplicación. 5. CONCLUSIONES Las pruebas realizadas con el sensor de ultrasonido SFR05, utilizado para medir el nivel de agua de los tanques e instalado en la parte superior del mismo, presenta una respuesta eficiente al continuo monitoreo del nivel. No se presentan errores de medición producidos por la misma estructura física del tanque, evitando una respuesta incorrecta del sistema difuso respecto al encendido del motor. El microcontrolador utilizado trabaja con un 60% de la capacidad de su memoria, más por el manejo de la LCD gráfica que por los algoritmos de inferencia difusa. El tiempo de respuesta en el procesamiento es más que suficiente debido a la naturaleza lenta del proceso de control de nivel. El uso de la LCD gráfica, y del teclado desarrollado en función a cuatro botones, permiten el manejo total de la configuración del dispositivo. Haciendo que el sistema sea fácil de utilizar y más económico, comparado con un PLC que es uno de los dispositivos convencionales para desarrollar este tipo de aplicaciones. El encendido y apagado del motor con arranque y reducción de velocidad suave cuenta con un variador de velocidad que elimina el uso de electroválvulas, dado que [1] Jiménez Moreno Robinson, Avilés Sánchez Óscar, Espinosa Fabio y Gordillo, Camilo. Machine Vision algorithms applied to dynamic traffic light control. Revista Dyna ISSN: 0012-7353 ed: Universidad Nacional de Colombia, v.80 fasc.180 p.56 - ,2013. 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