1811-S~1

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Instituto Politécnico Nacional 
 
 
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica 
y Eléctrica 
 
“Selección e implementación de un 
algoritmo para el control y monitoreo de 
temperatura por variación de flujo de 
enfriamiento de un prototipo de laboratorio 
modelo RT210” 
 
Tesis 
Para obtener el título de Ingeniero en 
Control y Automatización 
 
Presenta: 
David Alfredo Rodríguez Sánchez 
Asesores: 
Ing. Ricardo Hurtado Rangel 
Dr. Israel Álvarez Villalobos 
México D.F. Noviembre 2009 
 
 
 
Índice General 
 
|Instituto Politécnico Nacional 3 
 
 
Índice de Figuras - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -5 
Índice de Tablas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7 
 
Objetivo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -8 
Introducción - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 
 Justificación - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 
 
Capítulo 1: Marco Teórico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -10 
 
1.1Descripción de la unidad de proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -10 
1.1.1 Componentes del proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 11 
 1.2 Identificación del lazo de control - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15 
 
Capítulo 2: Algoritmo de control - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19 
 
2.1 Definición - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19 
 2.2 Métodos de control (algoritmos) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19 
 2.3 Selección del algoritmo de control - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20 
 2.3.1 Sensor de temperatura - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -20 
 2.3.2 Respuesta en lazo abierto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -21 
 2.4 Sintonización del controlador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -24 
 2.5 Simulaciones del sistema - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 27 
 2.5.1 Escalado del proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28 
 Respuesta de la bomba - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29 
 Respuesta del sensor de temperatura - - - - - - - - - - - - - 31 
 
Capítulo 3: Control por medio de un microcontrolador - - - - - - - - - - - - 36 
 
3.1 Microcontroladores - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36 
 3.2 Selección del microcontrolador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36 
 3.3 Circuito eléctrico del controlador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 37 
 3.3.1 Acondicionamiento de señal - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37 
3.3.2 Circuito de conexión del microcontrolador - - - - - - - - - -40 
 
 
Índice General 
5 
7 
 
8 
9 
9 
 
10 
 
10 
11 
15 
 
19 
 
19 
19 
20 
20 
21 
24 
27 
28 
29 
31 
 
36 
 
36 
36 
37 
37 
40 
 
 
Índice General 
 
|Instituto Politécnico Nacional 4 
 
 
3.4 Activación de los dispositivos de la unidad de proceso - - - - - - 43 
3.5 Programación del microcontrolador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -46 
 3.5.1 Salida PWM del microcontrolador - - - - - - - - - - - - - - - - -47 
 3.5.2 Programación del controlador PI - - - - - - - - - - - - - - - - - 50 
 3.5.3 Programación de los dispositivos del proceso - - - - - - -52 
 
Capítulo 4: Sistema de monitoreo del proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - -54 
 
 4.1 Monitoreo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 54 
 4.2 Necesidades de monitoreo del sistema - - - - - - - - - - - - - - - - - - 54 
 4.3 Medición de las variables del sistema - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 55 
 4.3.1 Sensor continuo de nivel - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 55 
 4.3.2 Sensor de nivel alto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 57 
 4.3.3 Sensor de flujo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -57 
 4.4 Envío de datos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 59 
 4.4.1 Configuración de la transmisión de datos - - - - - - - - - - 60 
 4.4.2 Programación del envío de datos - - - - - - - - - - - - - - - - -61 
 4.4.3 Protocolo de comunicaciones - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 64 
 4.5 Recepción de datos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 66 
 4.5.1 Software para el monitoreo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 66 
4.5.3 Programación de la interfaz gráfica - - - - - - - - - - - - - - -67 
 
Capítulo 5: Costos del proyecto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -72 
 
5.1 Estimación de Costos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 72 
5.2 Costo de ingeniería - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -72 
5.3 Costos de Material - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 73 
 5.3.1 Equipo Informático- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 73 
 5.3.2 Material y Equipo para Mediciones - - - - - - - - - - - - - - - -74 
 5.3.3 Material Electrónico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 74 
5.3.4 Material y Equipo para la Construcción de la Tarjeta- - -76 
 5.3.5 Material de oficina - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 77 
5.3 Costo Total del Proyecto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -77 
 
Conclusiones - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 79 
Bibliografía - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 81 
Glosario - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -83 
Anexos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 86
43 
46 
47 
50 
52 
 
54 
 
54 
54 
55 
55 
57 
57 
59 
60 
61 
64 
66 
66 
67 
 
72 
 
72 
72 
73 
73 
74 
74 
76 
77 
77 
 
79 
81 
83 
86 
 
Índice de Figuras 
 
|Instituto Politécnico Nacional 5 
 
 
Figura 1.1: Unidad de proceso (Process Rig) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 1.2: Componentes de la unidad de proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 1.3: Diagrama a bloques del lazo de control propuesto - - - - - - - - 
Figura 1.4: Esquema del sistema de control a realizar - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 2.1: Curva de resistencia relativa del platino en función de la 
temperatura. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 2.2: Gráfica de Temperatura contra Tiempo (Respuesta en lazo 
abierto del sistema) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 2.3: Parámetros característicos de la respuesta del sistema - - - - - - 
Figura 2.4: Gráfica de la respuesta de la bomba (voltaje vs flujo) - - - - - - - 
Figura 2.5: Señales de entrada y salida de cada bloque del lazo de control 
Figura 2.6: Diagrama a bloques del lazo de control con señales de 
entrada y salida - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 2.7: Diagrama a bloques de la simulación del sistema en lazo 
abierto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 2.8: Respuesta de la simulación del sistema en lazo abierto - - - - - 
Figura 2.9: Diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado con el 
controlador (PI y PID) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 2.10: Respuesta de la simulación del sistema en lazo cerrado con 
el controlador(PI y PID) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.1: Circuito de excitación del sensor de temperatura. - - - - - - - - - 
Figura 3.2: Circuito amplificador del voltaje diferencial. - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.3: Circuito amplificador de ganancia variable. - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.4: Circuito de procesamiento de señal del sensor de temperatura 
tipo RTD - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.5: Diagrama a bloques del acondicionamiento de señal del 
sensor de temperatura - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
 
Índice de Figuras 
10 
15 
17 
18 
 
20 
 
23 
25 
30 
31 
 
32 
 
33 
33 
 
34 
 
34 
38 
38 
39 
 
39 
 
40 
 
Índice de Figuras 
 
|Instituto Politécnico Nacional 6 
 
 
Figura 3.6: Diagrama de conexiones del microcontrolador - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.7: Diagrama de conexiones del optoacoplador y del MOSFET - - - 
Figura 3.8: Diagrama Completo del Circuito de Control - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.9: Circuito de potencia del enfriador e indicador - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.10: Circuito de potencia del agotador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.11: Circuito de potencia del calentador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.12: Circuito de potencia de la solenoide y su indicador - - - - - - - 
Figura 3.13: Circuito de potencia del indicador de nivel alto - - - - - - - - - - 
Figura 3.14: Gráfica de la frecuencia del PWM contra el porcentaje de 
potencia del motor - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 3.15: Uso de los registros CCPR1L y CCP1CON para el PWM - - - - - - 
Figura 3.16: Diagrama a bloques del controlador PI discreto. - - - - - - - - - - 
Figura 3.17: Diagrama de flujo de la programación del PI - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.1: Respuesta del sensor al cambio de nivel en el tanque de 
proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.2: Circuito del filtro del sensor continuo de nivel - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.3: Respuesta del sensor con el filtro - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.4: Acondicionamiento de señal del sensor de nivel alto - - - - - - - 
Figura 4.5: Acondicionamiento de señal del sensor de flujo - - - - - - - - - - - 
Figura 4.6: Registro TXSTA del PIC 16F877 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.7: Diagrama de flujo del envío de datos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.8: Diagrama de conexiones del MAX232 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.9: Diagrama del circuito electrónico completo - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.10: Interfaz gráfica programada en LabView - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.11: Configuración del puerto serie - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.12: Condiciones y lectura de información - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
Figura 4.13: Reporte de condiciones de error - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
 
 
 
 
 
41 
42 
42 
44 
44 
45 
45 
46 
 
48 
50 
51 
52 
 
55 
56 
56 
57 
58 
60 
63 
64 
65 
67 
69 
70 
71 
 
Índice de Tablas 
 
|Instituto Politécnico Nacional 7 
 
 
 
 
 
Tabla 2.1: Datos de la respuesta en lazo abierto del sistema - - - - - 
 
Tabla 2.2: Regla de sintonización de Ziegler-Nichols- - - - - - - - - - - - - - - 26 
 
Tabla 2.3: Datos de la respuesta de la bomba del sistema - - - - - - - - - - 29 
 
Tabla 3.1: Circuito de potencia para los dispositivos del proceso - - - - - 43 
 
Tabla 3.2: Configuración del registro TRISD 
 (entradas y salidas digitales) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -53 
 
Tabla 4.1: Valores correspondientes en el registro ADCON0 de las 
entradas analógicas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -62 
 
Tabla 5.1: Costos de ingeniería - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -72 
 
Tabla 5.2: Costo del Equipo Informático - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -73 
 
Tabla 5.3: Costo del Material y Equipo para Mediciones - - - - - - - - - - - - 74 
 
Tabla 5.4: Costo del Material Electrónico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -75 
 
Tabla 5.5: Costo del Material y Equipo para la 
 Construcción de la Tarjeta - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 76 
 
Tabla 5.6: Costo del material de oficina - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 77 
 
Tabla 5.3: Costo total del proyecto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 78 
Índice de Tablas 
22 
 
26 
 
29 
 
43 
 
 
53 
 
 
62 
 
72 
 
73 
 
74 
 
75 
 
 
76 
 
77 
 
78 
Objetivo 
 
|Instituto Politécnico Nacional 8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
OBJETIVO 
 
Controlar la temperatura de un prototipo de laboratorio 
Rig modelo RT210 por medio de una apropiada 
regulación del flujo de enfriamiento y monitorear las 
variables principales del proceso. 
 
 
 
 
Introducción 
 
|Instituto Politécnico Nacional 9 
 
 
Justificación 
Los laboratorios pesados de la carrera de ingeniería en control y 
automatización cuentan con una gran cantidad de equipo que es 
desaprovechado debido a que no funciona correctamente o no se cuenta con 
los elementos necesarios para operarlos de manera adecuada. Uno de estos 
equipos es el prototipo de laboratorio Modelo RT210, el cual representa un 
sistema industrial de intercambio de calor, este tipo de equipo puede 
contribuir de manera importante en la formación académica de los 
estudiantes al permitir realizar prácticas relacionadas con el control de 
procesos, instrumentación y teoría de control; por esta razón el presente 
trabajo propone restablecer el funcionamiento de un lazo de control de este 
equipo para el beneficio de los estudiantes. 
El prototipo de laboratorio Modelo RT210 cuenta con una unidad de control 
que se ha vuelto obsoleta, además varios de sus componentes están 
dañados. El software que se utilizaba para su operación, monitoreo y control 
se perdió e incluso ya es incompatible con los sistemas operativos actuales, 
por estas razones es necesario actualizar el sistema de control y el software 
para el monitoreo del proceso. 
La actualización propuesta no puede realizarse adquiriendo equipo nuevo ya 
que a pesar de que el prototipo de laboratorio Modelo RT210 se sigue 
fabricando este se ha modificado para adaptarse a las necesidades actuales 
de enseñanza de control de procesos, por lo cual los sistemas de control que 
se comercializan, incluso fabricados por la misma marca, son incompatibles 
con este modelo. Debido a esto se propone seleccionar e implementar el 
algoritmo de control adecuado para este proceso por medio de un 
microcontrolador y programar un sistema de monitoreo para las distintas 
variables del proceso. 
 
 
 
Introducción 
Capítulo 1 Marco Teórico 
 
|Instituto Politécnico Nacional 10 
 
 
 
1.1 Descripción de la unidad de proceso 
La unidad de proceso (Process Rig) mostrado en la Figura 1.1 es una 
unidad representativa de un proceso industrial en el cual se pueden 
controlar el flujo, la temperatura y el nivel en el tanque de proceso. Este 
tipo de proceso es muy similar a los encontrados en la industria alimenticia 
y petroquímica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cada acción en la unidad de proceso tiene la opción de ser controlada de 
manera manual o automática. Para cualquier selección del modo de control 
es posible comparar su rendimiento y así apreciar las ventajas y 
desventajas de ambos modos de control. 
 
Capítulo 1 Marco Teórico 
Figura 1.1: Unidad de proceso (Process Rig) 
Capítulo 1 Marco Teórico 
 
|Instituto PolitécnicoNacional 11 
 
 
1.1.1 Componentes del proceso 
La unidad del proceso consiste de los siguientes dispositivos: 
 Tanque de almacenamiento 
Es el recipiente donde se encuentra el fluido de proceso que es bombeado 
al resto de los equipos; el fluido de proceso El tanque cuenta con un 
sensor para conocer la temperatura del líquido que ingresa al proceso. 
Debido a que se trata de un prototipo de laboratorio con finalidad 
demostrativa, el fluido de proceso utilizado es agua destilada. 
 Bomba 
La bomba es utilizada para hacer circular el fluido de proceso a través del 
sistema, el flujo puede variarse de 0 a 1.5 l/min aproximadamente. La 
bomba es de tipo centrífugo y no es de desplazamiento positivo por la cual 
la salida del flujo no es necesariamente lineal con respecto a la velocidad, 
aunque la variación en la velocidad sí hará variar el flujo. 
 
Características eléctricas: 12 VCD, 6 A (Máximo). 
 
 Enfriador 
 
El enfriador está formado por un radiador y un ventilador. Si el fluido de 
proceso necesita ser enfriado el flujo es desviado al enfriador por medio de 
una válvula de tres vías. 
 
Características eléctricas del ventilador: 24 VCD, 1 A Nominal. 
 
 Tanque de proceso 
 
El tanque de proceso es el equipo en el cual se realiza el calentamiento del 
fluido de proceso (operación unitaria); este tanque contiene un calentador, 
un agitador, un sensor continuo de nivel, un sensor de nivel alto, un sensor 
de temperatura y una tubería de desbordamiento. El fluido de proceso en 
este tanque puede ser drenado o evacuado por la tubería de 
desbordamiento para utilizarlo nuevamente. 
 
Capítulo 1 Marco Teórico 
 
|Instituto Politécnico Nacional 12 
 
 
 Agitador 
El agitador se utiliza para mejorar la distribución de la temperatura en el 
tanque de proceso. En este proceso se utiliza un motor de corriente 
continua con velocidad de 300 rpm a su tensión nominal (24 VCD). 
 
 Calentador 
El elemento calefactor es un calentador de resistencia eléctrica que se 
energiza con 120 VCA. La potencia consumida puede variarse de 0 a 1.5 
Kw al variar el voltaje de alimentación, el proceso cuenta con una perilla de 
ajuste para este propósito. 
 Precauciones de seguridad del calentador: 
 El tanque de proceso debe contener suficiente fluido de proceso 
como para cubrir en su totalidad al calentador. 
 Sin importar el sistema de control que se utilice, si se produce 
alguna falla en el proceso, tanto en el hardware como en el 
software, el calentador debe apagarse automáticamente. 
 El fluido de proceso que está siendo calentado no deberá superar los 
100 ºC para evitar que se evapore y posibles daños en el equipo. 
 
 
 Sensor de temperatura 
La temperatura es medida en tres puntos del proceso: en el tanque de 
almacenamiento, en el tanque de proceso y en la salida del enfriador. 
Debido a que el rango de temperatura con el cual se trabaja en este 
proceso es de 0 a 100 ºC se utiliza un sensor tipo RTD de platino a tres 
hilos, el tercer hilo ayuda a compensar la resistencia de los conductores y 
los cambios en la temperatura ambiente. Este tipo de sensor tiene una alta 
precisión y linealidad en este rango de temperatura. Una mejor descripción 
de este sensor se da en los capítulos siguientes. 
 
 
 
Capítulo 1 Marco Teórico 
 
|Instituto Politécnico Nacional 13 
 
 
 Indicadores luminosos 
Nos proveen de una señalización luminosa de funcionamiento para el 
enfriador, el sensor de nivel alto y las solenoides de drenado y desviación. 
Utilizan lámparas tipo T1.5 L.E.S de 24 V, 1 W. 
 
 Sensor continuo de nivel 
Sensor de tipo capacitivo, cuando el fluido de proceso penetra en el campo 
eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando 
consecuentemente el valor de capacitancia, este cambio en la capacitancia 
corresponde a un cambio en el nivel del tanque que es indicado con una 
señal eléctrica de 0-5 V. Características eléctricas: 15 VCD. 
 
 Sensor de flujo 
El flujo del fluido de proceso es medido por medio de un flujómetro de tipo 
propela. El fluido fluye a través del sensor haciendo rotar una propela de 
seis aspas; montado en un lado de la propela se encuentra un transmisor y 
receptor infrarrojos los cuales crean un haz de luz infrarroja que es 
cortado por la propela giratoria. Seis pulsos son producidos para cada 
rotación de la propela, produciendo una frecuencia de salida que es 
proporcional al flujo del fluido de proceso. 
 
 Sensor de nivel alto 
Este sensor indica cuando el tanque está a su máxima capacidad, en este 
punto si más líquido ingresa al tanque de proceso el líquido excedente 
saldrá por la tubería de desbordamiento. Este sensor es un interruptor 
activado por un flotador, envía una señal de 5 V para indicar que el tanque 
está lleno y una señal de 0 V para indicar que aún puede ingresar más 
líquido. 
 
 
http://wapedia.mobi/es/Diel%C3%A9ctrico
http://wapedia.mobi/es/Capacitancia
Capítulo 1 Marco Teórico 
 
|Instituto Politécnico Nacional 14 
 
 
 Solenoides 
La unidad de proceso cuenta con dos solenoides: 
 
 Solenoide de desviación: Se utiliza para desviar el flujo del fluido de 
proceso proveniente del tanque de almacenamiento hacia el 
enfriador o hacia el tanque de proceso. Es una válvula de tipo 3/2 
universal con una caída de presión menor a 0.07 bar. Características 
eléctricas: 24 VCD, 1 A. 
 Solenoide de drenado: Se utiliza para drenar el tanque de proceso. 
Es una válvula de tipo 3/2 universal con una caída de presión menor 
a 0.07 bar. Características eléctricas: 24 VCD, 1 A. 
 
 Válvulas 
La unidad de proceso cuenta con cuatro válvulas manuales: 
 Una válvula tipo bola para el drenado del tanque de proceso. 
 Una válvula tipo bola para regular el flujo desplazado por la bomba. 
 Una válvula de desviación hacia el enfriador o el tanque de proceso. 
 Una válvula tipo compuerta para evitar el paso del fluido hacia el 
tanque de proceso. Debe evitarse cerrar esta válvula mientras está en 
funcionamiento el proceso para evitar posibles daños a la bomba. 
 
 Displays 
Son utilizados en el sistema para mostrar las mediciones de temperatura 
en grados Celsius, el flujo del fluido de proceso en lt/min y la potencia 
consumida por el elemento calefactor en KW. 
Los Displays utilizados son utilizan LED’s rojos de 11 mm de auto 
polaridad de alta frecuencia con un filtro polarizado rojo. 
 
En la Figura 1.2 se muestra la ubicación de los componentes antes 
mencionados dentro de la unidad de proceso. 
 
Capítulo 1 Marco Teórico 
 
|Instituto Politécnico Nacional 15 
 
 
 
 1.2 Identificación del lazo de control 
Anteriormente la unidad de proceso se utilizaba para realizar prácticas 
sobre teoría de control, estas prácticas consistían en operar el equipo en 
forma manual (flujo de la bomba, potencia del calentador, drenado del 
tanque de proceso y dirección del flujo) y observar la respuesta del sistema 
en la computadora por medio del software suministrado por la empresa 
bytronic (PCUSIM). Posteriormente se utilizaba el control automático de la 
unidad, se tenía la posibilidad de modificar el set point y los parámetros 
del controlador en los distintos lazos de control, la respuesta del sistema 
se observaba en la computadora para comparar ambos modos de control y 
diferentes sintonizaciones del controlador para así poder apreciar sus 
ventajas y desventajas. 
 
Figura 1.2: Componentes de la unidad de proceso 
Capítulo 1 Marco Teórico 
 
|Instituto Politécnico Nacional 16 
 
 
En el presente trabajo se pretende actualizar el sistema de control de la 
unidad de proceso con respecto al lazo de control de temperatura, las 
prácticas de laboratorio que se realizaban anteriormente podrán efectuarse 
de igual manera con el nuevo control. Este trabajo podrá ser extendido a 
los otros lazos de control para explotar al máximo las posibilidadesacadémicas del equipo. 
 
La unidad de proceso puede operar como un proceso tipo Batch o como un 
proceso continuo. Para el presente trabajo se operará como un proceso 
tipo continuo, este tipo de tanques son usados para una gran variedad de 
procesos químicos y alimenticios debido a su gran flexibilidad de 
operación, en estos tanques los reactantes son continuamente ingresados 
al reactor y salen de este como un flujo continuo de producto, permitiendo 
una mayor producción al no tener que detener el proceso, su limpieza es 
más fácil ya que sólo se realiza al inicio y al término del proceso y además 
se utilizan tanques más pequeños que en los procesos tipo Batch. 
 
En el prototipo de laboratorio se pueden controlar diferentes variables: 
temperatura, flujo o nivel y por lo tanto se pueden definir diferentes lazos 
de control; para esta propuesta de control la temperatura del tanque es la 
variable controlada y el flujo de entrada al tanque es la variable 
manipulada, como se trata de un proceso continuo la entrada y salida de 
agua del tanque deben ser continuas, la temperatura a la cual se desea que 
funcione el sistema (set point) es de 60ºC. 
 
Para analizar este lazo de control el sistema debe operar bajo las 
siguientes condiciones: 
 La solenoide de desviación debe estar activada para que el flujo de 
agua pase por el intercambiador de calor. 
 El ventilador del intercambiador de calor debe estar activado. 
 El agitador del tanque de proceso debe estar activado para lograr 
una temperatura uniforme. 
 
Capítulo 1 Marco Teórico 
 
|Instituto Politécnico Nacional 17 
 
 
 La válvula manual reguladora de flujo debe estar cerrada ya que el 
flujo se manipula de manera automática. 
 La válvula manual de drenado debe estar abierta hasta la mitad para 
permitir la salida del fluido del tanque de proceso de manera 
continua. Esta válvula no se bebe abrir a más de la mitad de su 
capacidad ya que el agua se drenaría más rápido de lo ingresa al 
tanque lo que ocasiona que el nivel baje, un nivel muy bajo deja 
trabajando al calentador en seco lo cual dañaría el equipo. 
 La solenoide de drenado debe estar desactivada para evitar el mismo 
problema mencionado en el punto anterior. 
 La válvula de paso permanecerá abierta todo el tiempo. 
 
El control manual del calentador no se utilizará en este lazo de control ya 
que el elemento final de control será la bomba. El calentador operará a su 
tensión nominal, 120 VCA, todo el tiempo. 
 
Los Displays no se utilizarán ya que el monitoreo de las variables del 
proceso se realizará por medio de una computadora. 
 
El diagrama a bloques del lazo de control propuesto se muestra en la 
Figura 1.3 y el diagrama a bloques del sistema de control a realizar se 
muestra en la Figura 1.4. 
 
 
Figura 1.3: Diagrama a bloques del lazo de control propuesto 
Capítulo 1 Marco Teórico 
 
|Instituto Politécnico Nacional 18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El driver seleccionado para esta aplicación es un PWM. La modulación por 
ancho de pulsos (PWM por las siglas en inglés, Pulse-Width Modulation) es 
una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica 
para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. 
 
 
La modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la 
velocidad de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par motor 
constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. La 
utilización de un PWM es una forma efectiva de manipular la velocidad en 
la bomba de la unidad de proceso, otros métodos para regular la velocidad 
modifican la tensión eléctrica, con lo que disminuye el par motor; o 
interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde energía en forma 
de calor. 
 
 
Figura 1.4: Esquema del sistema de control a realizar 
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico
http://es.wikipedia.org/wiki/Par_motor
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica
http://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad)
http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 19 
 
 
2.1 Definición 
Un algoritmo es una secuencia de pasos finitos completamente definidos 
que permiten resolver un problema en particular, consiste en la 
descomposición de acciones que serán ejecutadas a través de una 
descripción de datos manipulados. 
Un algoritmo debe cumplir con las siguientes características: 
 Debe ser preciso e indicar un orden de realización de cada paso. 
 Debe ser definido, es decir, bajo las mismas condiciones debe 
obtener el mismo resultado. 
En control de procesos un algoritmo se encarga de generar las variables de 
salida que se desean obtener a partir de las distintas variables de un 
sistema. 
Un algoritmo de control describe formalmente la estrategia de control; en 
el caso más simple puede tener la forma de la ecuación de un controlador. 
En general, un algoritmo realiza procesos de cálculo en forma secuencial, 
de acuerdo con un esquema determinado para las condiciones del sistema. 
2.2 Métodos de control (algoritmos) 
A continuación se enlistan los tipos de algoritmos de control más 
utilizados en la actualidad para el control de procesos industriales: 
 De dos posiciones (todo - nada) 
 Proporcional 
 Proporcional + Integral 
 Proporcional + Derivativo 
 Proporcional + Integral + Derivativo 
 Difuso 
 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 20 
 
 
2.3 Selección del algoritmo de control 
Para realizar una correcta selección del algoritmo de control más adecuado 
para este lazo de control en particular es necesario conocer el 
comportamiento del sistema, por lo cual se debe obtener su respuesta en 
lazo abierto, esto permite conocer el comportamiento tanto en estado 
transitorio como en estado estacionario. 
 
2.3.1 Sensor de temperatura 
Antes de obtener la respuesta en lazo abierto del sistema, es necesario 
conocer el sensor con el cual se realizarán las mediciones. Para este 
proceso y este lazo de control se utiliza un sensor de temperatura tipo RTD 
de platino el cual presenta la curva de resistencia relativa mostrada en la 
Figura 2.1, como se puede apreciar, el comportamiento de este tipo de 
RTD es bastante lineal, sobre todo en el rango de operación de 0 a 100ºC. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.1: Curva de resistencia relativa del platino en función de la temperatura. 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 21 
 
 
El RTD de platino presenta una resistencia igual a 100Ω a una temperatura 
de 0ºC y una resistencia de 138Ω a una temperatura de 100ºC, por lo 
tanto, gracias a su linealidad en este rango de operación, se deduce que 
cada cambio de 0.38Ω en el RTD corresponde a un grado centígrado. La 
temperatura correspondiente a un valor de resistencia del RTD se puede 
calcular utilizando la siguiente Fórmula. 
 
( 100)
0.38
RTDRT


 
 
2.3.2 Respuesta en lazo abierto 
Para obtener la respuesta en lazo abierto del sistema se deben tener las 
condiciones de operación del lazo de control descritas en el capítulo uno. 
En este caso se utiliza una entrada para la bomba de 10VCD y el calentador 
se utiliza a su potencia máxima (1.5KW a 120 VCA), se miden los cambios 
en la resistencia eléctrica del RTD con un tiempo de muestreo de un 
minuto ya que el proceso de temperatura es lento. 
 
Los datos obtenidos se muestran en la Tabla 2.1, además se muestra la 
temperatura correspondiente a cada medición de resistencia del RTD la 
cual se calcula utilizando la Fórmula 2.1. 
 
 
 
 
 
 
 
(2.1) 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 22 
 
 
t (s) Ω ºC 
0 104.3 11.31 
60 104.9 12.89 
120 105.8 15.26 
180 106.9 18.15 
240 108.5 22.36300 110.0 26.31 
360 112.3 32.36 
420 114.0 36.84 
480 115.3 40.26 
540 116.2 42.63 
600 117.2 45.26 
660 117.9 47.10 
720 118.5 48.68 
780 119.1 50.26 
840 119.5 51.31 
900 119.8 52.10 
960 120.7 54.47 
1020 121.1 55.52 
1080 121.5 56.57 
1140 121.9 57.63 
1200 122.3 58.68 
1260 122.7 59.73 
1320 123.0 60.52 
1380 123.2 61.05 
1440 123.4 61.57 
1500 123.5 61.84 
1560 123.5 62.10 
1620 123.6 62.10 
1680 123.6 62.36 
1740 123.7 62.36 
1800 123.7 62.36 
1860 123.7 62.63 
1920 123.8 62.63 
1980 123.8 62.63 
2040 123.8 62.63 
 
 
Tabla 2.1: Datos de la respuesta en lazo abierto del sistema. 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 23 
 
 
El la Figura 2.2 se muestra la gráfica de los datos temperatura contra 
tiempo de la Tabla 2.1, esta gráfica corresponde a la respuesta en lazo 
abierto del sistema. 
 
 
 
 
En la Figura 2.2 se observa que el sistema se estabiliza a una temperatura 
de 62.63ºC en un tiempo de 1800 segundos aproximadamente. 
La respuesta en lazo abierto del sistema presenta una forma característica 
de los sistemas de segundo orden, esta forma de S se denomina signoide. 
Los sistemas que presentan este tipo de respuestas pueden ser 
controlados por medio de un PID. 
El controlador PID conjunta las acciones proporcional, integral y derivativa 
en la señal del error. 
 
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500 2000 2500
Te
m
p
e
ra
tu
ra
 (
ºC
)
Tiempo (s)
Figura 2.2: Gráfica de Temperatura contra Tiempo. 
 (Respuesta en lazo abierto del sistema) 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 24 
 
 
La acción proporcional tiene el efecto de reducir el tiempo de subida del 
sistema, aumenta el sobreimpulso y el tiempo de estabilización. No elimina 
el error. 
La acción integral tiene el efecto de eliminar el error de estado 
estacionario, aumenta el sobreimpulso y el tiempo de estabilización, pero 
disminuye el tiempo de subida. 
La acción derivativa aumenta la estabilidad del sistema, reduce el 
sobreimpulso y el tiempo de estabilización, aumenta el tiempo de subida. 
No elimina el error. 
 
Debido a las características del proceso, a la variable a manipular (flujo) y a 
los efectos de las diferentes acciones del controlador PID se concluye que 
el sistema puede ser controlado por un PI ó un PID, la selección final del 
controlador depende del desempeño obtenido del sistema con ambos 
controladores, para lo cual es necesario realizar simulaciones. 
El controlador P se descarta debido a que este controlador por si sólo es 
incapaz de eliminar el error en estado estacionario. 
 
2.4 Sintonización del controlador 
La consiste en definir los valores Kp (ganancia proporcional), Ki (ganancia 
integral) y Kd (ganacia integral) del controlador. Si se tiene el modelo 
matemático de la planta es posible aplicar varias técnicas de diseño para 
determinar los parámetros del controlador (Kp, Ki y Kd), sin embargo, si no 
se cuenta con el modelo matemático o es muy complejo es posible hacer 
un acercamiento analítico para el diseño del controlador. 
 
En este caso se utiliza el método de sintonización de Ziegler – Nichols en 
lazo abierto debido a que no se tiene el modelo matemático de la planta, 
además de que ya se cuenta con la respuesta en lazo abierto del sistema 
necesaria para utilizar este método de sintonización. 
 
 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 25 
 
 
En este método de sintonización se utiliza la respuesta en lazo abierto del 
sistema (Figura 2.2), la curva de la respuesta está caracterizada por dos 
constantes, el tiempo de retraso (L) y la constante de tiempo (Tp), estas 
constantes se determinan al trazar una tangente en el punto de inflexión 
de la curva y determinando las intersecciones de la tangente con el eje del 
tiempo y la constante K como se muestra en la Figura 2.3. 
 
 
 
De la figura anterior se obtienen los valores: 
L = 130 s 
Tp = 530 s 
K = 51.32 
 
Figura 2.3: Parámetros característicos de la respuesta del sistema 
L 
Tp 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 26 
 
 
Una vez determinados los valores de L, Tp y K la función de transferencia 
del sistema se puede aproximar, utilizando la Ecuación 2.2, a un sistema 
de primer orden con un retardo: 
( )
(1 )
LsKe
G s
Ts


 
Por lo tanto la función de transferencia aproximada del sistema es: 
13051.32
( )
(1 530 )
se
G s
s



 
Utilizando los parámetros característicos del sistema y siguiendo la regla 
de sintonización de Ziegler-Nichols para sistemas de primer orden 
mostrado en la Tabla 2.2 se encuentran los valores Kp, Ti y Td del 
controlador. 
 
PI PID 
530
(0.9) 3.669
130
pK  
 
530
(1.2) 4.89
130
pK   
3.3(130) 429iT  
 
2(130) 260iT   
0dT 
 
0.5(130) 65dT  
 
Controlador Kp Ti Td 
PI 0.9
pT
L 
3.3L 0 
PID 1.2
pT
L 
2L 0.5L 
Tabla 2.2: Regla de sintonización de Ziegler-Nichols 
(2.2) 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 27 
 
 
La función de transferencia del controlador se muestra en la Ecuación 2.3: 
( ) 1
1
( )
p d
i
U s
K T s
E s T s
 
   
 
 
Sustituyendo los valores calculados: 
PI 
( ) 1 1
3.669 1 3.669 0.00855
( ) 429
U s
E s s s
 
    
 
 
3.669pK  0.00855iK  
PID 
 
( ) 1 1
4.89 1 65 4.89 0.018 317.89
( ) 260
U s
s s
E s s s
 
      
 
 
4.89pK  317.89dK  0.018iK 
 
 
2.5 Simulaciones del sistema 
La simulación es el proceso de diseñar un modelo de un sistema real para 
realizar pruebas y experimentos, con la finalidad de comprender el 
comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias para el 
funcionamiento del sistema. 
La simulación de nuestro sistema permite verificar si la aproximación de la 
función de transferencia de la planta presenta un comportamiento similar 
al sistema físico, además de que permite conocer el comportamiento del 
sistema con el controlador para poder ajustar su sintonización antes de 
aplicarlo de manera física. 
 
(2.3) 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 28 
 
 
2.5.1 Escalado del proceso 
El escalado del proceso es la determinación de las funciones de 
transferencia que deben ser asignadas a los bloques del sistema a simular, 
dependiendo de las funciones de transferencia de cada uno de los bloques 
que integran al sistema real, y de los márgenes de operación (escalas) de 
las variables y señales en ambos sistemas. 
 
Todas las señales del sistema a simular operan dentro de cierto rango de 
valores, están definidos por un límite inferior de la escala y uno superior. 
Según su función se pueden definir tres tipos de señales: 
 Señales de medida: Las que son generadas por los elementos de 
medición de las variables físicas del proceso. 
 Señales de control: Las que van desde el controlador hasta el 
elemento final de control o a un segundo controlador. 
 Señales intermedias: Son las señales restantes que se utilizan por el 
sistema de control para relacionar entre sí los distintos componentes 
que lo forman. 
 
Para cada variable física del proceso se determinan márgenes de operación, 
definidos también por un límite inferior y uno superior, esto permite 
establecer una correspondencia entre cada variable del proceso y la señal 
de transmisión correspondiente a su medición. 
 
Para realizar el escalado del sistema de control propuesto es necesario 
definir la función de transferencia de cada bloque del sistema mostrado en 
la Figura 1.3, así como las señales de entrada y salida de cada bloque. 
 
Las funciones de transferencia de la planta (tanque) y del controlador ya 
han sido definidas en este capítulo, por lo cual se requiere definir la 
función de transferencia de la bomba y del sensor de temperatura. 
 
Capítulo 2 Algoritmo de Control|Instituto Politécnico Nacional 29 
 
 
Respuesta de la bomba 
Para definir la dinámica de la bomba del proceso se debe conocer su 
comportamiento a diferentes entradas de voltaje. Se aplican diferentes 
voltajes a la bomba y se registra el tiempo que tarda en llenar un recipiente 
de 1 litro, con este dato se puede calcular el flujo correspondiente a cada 
valor de voltaje. La Tabla 2.3 muestra los valores resultantes de esta 
prueba y la Figura 2.4 muestra la gráfica del flujo de la bomba con 
respecto al voltaje suministrado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Voltaje (V) Tiempo (s) Flujo (lt/min) 
0 - 0 
1 - 0 
2 - 0 
3 384.61 0.1205 
4 215.38 0.2785 
5 135.89 0.4415 
6 103.84 0.5777 
8 70.51 0.8509 
10 56.41 1.0636 
12 44.87 1.3371 
Tabla 2.3: Datos de la respuesta de la bomba del sistema 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 30 
 
 
 
Como se observa en la Figura 2.4, la bomba tiene un comportamiento 
bastante lineal después de los dos volts, de 0 a 2 volts la bomba no es 
capaz de crear un flujo de agua, debido a este comportamiento la dinámica 
de la bomba puede representarse por una zona muerta de 0 a 2 volts y una 
constante que corresponda a la pendiente de la recta. Para obtener la 
pendiente de la gráfica se utiliza la Fórmula 2.4. 
2 1
2 1
y y
m
x x



 
Considerando los valores de la Tabla 2.3: 
x
1
= 2 x
2
 = 12 y
1
= 0 y
2
=1.3371 
Entonces: 
1.3371 0
0.13371
12 2
m

 

 
Por lo tanto la dinámica de la bomba está dada por la constante 0.13371 
 
Figura 2.4: Gráfica de la respuesta de la bomba (voltaje vs flujo) 
(2.4) 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 31 
 
 
Respuesta del sensor de temperatura 
En este capítulo se explica el comportamiento lineal del sensor tipo RTD de 
platino, debido a este comportamiento su dinámica puede definirse como 
una constante. Tomando en cuenta que la señal entregada por el RTD, 
después del acondicionamiento de señal, tiene que ser de 0-5V para 
ajustarse a las señales manejadas por el microcontrolador y que el rango 
de temperatura a manejar es de 0 – 100ºC se obtienen los siguientes 
valores utilizando la fórmula 2.4: 
 
x
1
= 0 x
2
 = 100 y
1
= 0 y
2
=5 
Entonces: 
5 0 1
0.05
100 0 20
m

  

 
Por lo tanto la dinámica del sensor de temperatura está dada por una 
constante igual a 0.05. 
Una vez definidas las dinámicas de cada uno de los bloques de nuestro 
sistema se tiene que verificar la correspondencia de la señal de salida de 
un bloque con la señal de entrada del siguiente bloque. La Figura 2.4 
muestra las señales de entrada y salida de cada bloque del lazo de control 
propuesto. 
 
 
Figura 2.5: Señales de entrada y salida de cada bloque del lazo de control 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 32 
 
 
En la Figura 2.6 se muestra el diagrama a bloques del lazo de control 
indicando las señales de entrada y salida correspondientes a cada bloque, 
se observa que no hay concordancia entre las señales en tres partes del 
sistema: 
 Al punto suma llega una señal de temperatura y una de voltaje. 
Ambas deben ser de temperatura. 
 La señal del error (salida del punto suma) es de temperatura, debe 
ser de voltaje (0-5V). 
 La salida del controlador es de 0-45v y debe ser de 0-12V 
 
 
 
En la parte del punto suma, debido a que la señal proveniente de la 
retroalimentación debe ser de temperatura (0-100ºC), no es necesaria la 
conversión de señal correspondiente al sensor de temperatura. La 
retroalimentación se considera unitaria. 
Para realizar la conversión de temperatura (0-100ºC) a voltaje (0-5V) en la 
salida del punto suma se utiliza la constante calculada para el sensor de 
temperatura la cual es igual a 0.05. 
Para realizar la conversión de 0-45v a 0-12V en la salida del controlador se 
multiplica la salida del controlador por una constante igual a 12/45 
obtenida con la fórmula 2.3. 
 
Figura 2.6: Diagrama a bloques del lazo de control con señales de entrada y salida 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 33 
 
 
Una vez escalado el proceso y con la correspondencia de señales de 
entrada y salida de los bloques del sistema se procede a realizar la 
simulación utilizando el software Matlab –Simulink. 
La Figura 2.7 muestra el diagrama a bloques del sistema en lazo abierto a 
simular en Simulink y la Figura 2.8 muestra la respuesta del sistema. Como 
se puede observar, esta gráfica asemeja en gran medida el 
comportamiento del sistema físico (Figura 2.2). 
Para esta simulación se selecciona un set point de 60ºC pero el sistema se 
estabiliza a una temperatura de 36ºC, el sistema por si solo es incapaz de 
alcanzar el valor deseado, se tiene un error de 24ºC que corresponde al 
40%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.7: Diagrama a bloques de la simulación del sistema en lazo abierto 
Figura 2.8: Respuesta de la simulación del sistema en lazo abierto 
Tiempo (s) 
Temperatura (ºC) 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 34 
 
 
La Figura 2.9 muestra el diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado a 
simular en Simulink, el primero con el controlador Pi y segundo con el PID, 
y la Figura 2.10 muestra la respuesta de ambos sistemas. Para esta 
simulación se selecciona el set point de 60ºC. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.10: Respuesta de la simulación del sistema en lazo cerrado con el controlador 
(PI y PID) 
Figura 2.9: Diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado con controlador (PI y PID) 
Controlador PI 
Controlador PID 
Capítulo 2 Algoritmo de Control 
 
|Instituto Politécnico Nacional 35 
 
 
Como se puede observar en la Figura 2.10 ambas respuestas del sistema 
se estabilizan en un tiempo aproximado de 4000s eliminando el error en 
estado estacionario, pero la respuesta con el controlador PI tiene un tiempo 
de subida mayor que la respuesta con el controlador PID, la cual presenta 
además un sobreimpulso. 
 
El objetivo de principal de control es eliminar el error en estado 
estacionario, debido a que ambos controladores eliminan el error y que se 
estabilizan en aproximadamente el mismo tiempo la selección del 
controlador recae en la manera de alcanzar el valor deseado de cada 
controlador; para este lazo de control es más importante obtener una 
respuesta suave que una respuesta rápida, porque al manipular el flujo de 
entrada al tanque se afecta directamente el nivel del tanque y se debe 
evitar un nivel muy bajo para evitar daños al calentador. Por esta razón se 
selecciona el controlador PI ya que el sobreimpulso de la respuesta con el 
controlador PID tiene un efecto mayor sobre el nivel del tanque en 
comparación con el controlador PI. 
 
Recordemos que la selección del controlador y del set point es sólo un 
ejemplo de las diferentes opciones que se tienen al trabajar con la unidad 
de proceso, el prototipo de laboratorio tiene la finalidades didácticas, con 
esta implementación el alumno tendrá la oportunidad de modificar la 
programación del controlador para cambiar los valores del controlador así 
como del set point permitiéndole estudiar el comportamiento del sistema. 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 36 
 
 
3.1 Microcontroladores 
Los microcontroladores son microprocesadores de uso general los cuales 
tienen partes adicionales que les permiten controlar dispositivos externos. 
Básicamente un microcontrolador ejecuta un programa creado por el 
usuario el cual fue previamente cargado en la memoria del 
microcontrolador. Cuando se está ejecutando el programa se recibe 
información proveniente de dispositivos externos (entradas), se manipula 
dicha información y se envía a dispositivos externos. 
La arquitectura básica de un microcontroladorconsiste del 
microprocesador, memoria, entradas y salidas. Se clasifican por el número 
de bits en una palabra de información. Los microcontroladores de 8 bits 
aún son los más popularmente utilizados en un sinnúmero de aplicaciones. 
Los microcontroladores de 16 y 32 bits son mucho más poderosos pero 
usualmente son más costosos y no son necesarios para la mayoría de las 
aplicaciones generales. 
3.2 Selección del microcontrolador 
Para esta aplicación se selecciona un microcontrolador tipo PIC 16F877. 
Las razones principales por las cuales se utilizará este microcontrolador 
son: 
 Tiene entradas analógicas lo cual facilitará el procesamiento de las 
señales de los distintos sensores al evitar la parte de conversión de 
señal analógica a digital. 
 Tiene una salida PWM integrada lo cual evitará el diseño del circuito 
electrónico del PWM para controlar al elemento final de control 
(bomba). 
 Tiene una gran memoria la cual es necesaria para implementar la 
aritmética de punto flotante y el algoritmo del PI. 
 Su programación es sencilla. 
Capítulo 3 
Control por medio de un 
microcontrolador. 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 37 
 
 
3.3 Circuito eléctrico del controlador 
El circuito eléctrico de conexiones del microcontrolador abarca desde la 
señal de salida del sensor de temperatura (RTD) hasta la señal de salida de 
control con la cual se alimentara el dispositivo final de control (bomba). 
 
3.3.1 Acondicionamiento de señal 
Las señales eléctricas generadas por los sensores, por lo general, necesitan 
ser transformadas a una señal aceptable para el hardware de adquisición 
de datos o el controlador. Además, muchos sensores requieren de una 
forma de excitación o conexión para su correcto y preciso funcionamiento. 
Las principales acciones del procesamiento de señales son: 
 Excitación 
 Linearización 
 Filtrado 
 Amplificación 
 Conversión 
 Aislamiento 
A continuación se describe sólo el acondicionamiento de señal del sensor 
de temperatura del proceso ya que es el único necesario para realizar el 
sistema de control, el acondicionamiento de señal de los demás sensores 
del proceso (flujo y nivel) serán explicados en el capítulo 4. 
La primera etapa del acondicionamiento de señal para el RTD es la 
excitación, debido a que el sensor es básicamente una resistencia eléctrica 
variable deberá ser energizada con una fuente externa de voltaje, la señal 
de salida del sensor (analógica) podrá ser una corriente o un voltaje que 
variará en relación con la temperatura del elemento; la señal de salida 
también dependerá del valor del voltaje de alimentación. 
En este caso se utiliza un circuito puente de Wheatstone como el mostrado 
en la Figura 3.1 para excitar al sensor, el RTD se coloca en un brazo del 
circuito puente, se genera una diferencia de voltaje cuando el RTD cambia 
su valor y el puente se desequilibra. 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 38 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para obtener el voltaje diferencial de los dos brazos del puente se utiliza 
el circuito mostrado en la Figura 3.2, utiliza un amplificador operacional 
LM741 el cual resta el voltaje resultante del RTD menos el voltaje de 
referencia para obtener un valor que indica el desbalance del circuito 
puente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para ajustar los cambios de voltaje generados por el amplificador de 
voltaje diferencial en el rango de 0 a 5 Volts se utiliza un circuito 
amplificador inversor con control de ganancia como el que se muestra en 
la Figura 3.3. 
 
5V
1K 1K
100
100 140 
Vret
V(°C)
Ajuste a cero
10K
10K
10K
10K
Vret
V(°C)
Vs
Figura 3.1: Circuito de excitación del sensor de temperatura. 
Figura 3.2: Circuito amplificador del voltaje diferencial. 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 39 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El diagrama completo del procesamiento de señal del sensor de 
temperatura se muestra en la Figura 3.4 y su respectivo diagrama a 
bloques se muestra en la Figura 3.5, con este circuito se obtiene una señal 
de 0 a 5 VCD correspondiente al rango de temperatura 0 a 100ºC. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.3: Circuito amplificador de ganancia variable 
Figura 3.4: Circuito de procesamiento de señal del sensor de temperatura tipo RTD 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 40 
 
 
 
 
Debido a que el microcontrolador a utilizar cuenta con un convertidor A/D 
no es necesaria la etapa de conversión de señal dentro del circuito del 
acondicionamiento de señal. 
 
3.3.2 Circuito de conexión del microcontrolador 
A pesar de que el microcontrolador es un dispositivo muy poderoso en 
términos matemáticos y de manipulación de información, opera con 
señales de muy baja potencia. Por esta razón no puede activar dispositivos 
que manejen corrientes grandes, es necesario añadir un circuito de 
potencia que sea capaz de amplificar las señales de salida del 
microcontrolador. 
 
Debido a que la bomba a controlar es un dispositivo que maneja 
corrientes e inductancias relativamente grandes es necesario un circuito de 
potencia para su activación, para esta aplicación se selecciona un 
optoacoplador para aislar las señales del microcontrolador y las de la 
bomba. 
 
Figura 3.5: Diagrama a bloques del acondicionamiento de señal del sensor de 
 temperatura 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 41 
 
 
 
El PWM está en la salida CCP1 del microcontrolador, esta señal activa un 
optoacoplador 4N35 el cual activa directamente un MOSFET, el 
optoacoplador evita que el ruido eléctrico ocasionado por la bomba llegue 
al microcontrolador. La bomba del proceso está conectada al colector del 
MOSFET, en este caso se utiliza un MOSFET IRF640 porque proporciona una 
corriente en el colector de 10 A y es capaz de disipar la carga máxima 
demandada (72 W). Como medida adicional de seguridad para evitar daños 
al MOSFET se coloca un disipador de calor para prevenir 
sobrecalentamiento. La señal del sensor de temperatura está conectada a la 
entrada analógica AN0 del microcontrolador. 
 
El diagrama de las conexiones del microcontrolador se muestra en la 
Figura 3.6 y el diagrama de conexiones del optoacoplador y el MOSFET en 
la Figura 3.7. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.6: Diagrama de conexiones del microcontrolador 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 42 
 
 
El circuito del PIC 16F877 cuenta con un botón de Reset en caso de que se 
ocasione algún problema mientras se ejecuta el programa y con un led que 
indica que el circuito está en operación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El diagrama completo del circuito de control se muestra en la Figura 3.8. 
 
 
 
 
Figura 3.8: Diagrama Completo del Circuito de Control 
Figura 3.7: Diagrama de conexiones del optoacoplador y del MOSFET 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 43 
 
 
3.4 Activación de los dispositivos de la unidad 
de proceso 
Como se menciona en el Capítulo 1, varios dispositivos de la unidad de 
proceso deben estar accionados en todo momento: el agitador, el 
enfriador, el calentador, la solenoide de desviación y los indicadores 
luminosos correspondientes al enfriador y la solenoide. El microcontrolador 
manda la señal de activación para estos dispositivos, la cual es amplificada 
por el circuito de electrónica de potencia de cada dispositivo. En la tabla 
3.1 se muestra el tipo de circuito de potencia a utilizar para activar cada 
dispositivo de la unidad de proceso, la selección se realizó en base a las 
especificaciones eléctricas de cada dispositivo. 
 
 
 
Circuitode 
Potencia 
Dispositivo Características Eléctricas 
MOSFET 
Enfriador e 
Indicador 
24 VCD, 1A 
24 VCD, 85mA 
MOSFET Agitador 24 VCD, 150mA 
Relevador 
Solenoide e 
Indicador 
24 VCD, 0.625A 
24 VCD, 85mA 
Relevador Calentador 120 VCA, 11.5 A 
Darlington 
Indicador de 
Nivel Alto 
24 VCD, 85mA 
 
Las señales de salida del microcontrolador para el enfriador, el agitador y 
los indicadores serán aisladas del circuito de potencia de los dispositivos 
utilizando un optoacoplador 4N35 para evitar daños al microcontrolador. 
 
Tabla 3.1: Circuito de potencia para los dispositivos del proceso 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 44 
 
 
En la figura 3.9 y 3.10 se muestra el circuito de potencia del enfriador y del 
agitador respectivamente, ambos circuitos utilizan un MOSFET como 
dispositivo de potencia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.10: Circuito de potencia del agitador 
Figura 3.9: Circuito de potencia del enfriador e indicador 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 45 
 
 
 
El calentador, la solenoide de desviación y su indicador utilizan un 
relevador para ser accionados, el relevador es a su vez activado por un 
transistor TIP41. La Figura 3.11 muestra el circuito de potencia para el 
calentador y la Figura 3.12 el circuito de potencia para la solenoide de 
desviación y su indicador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.12: Circuito de potencia de la solenoide y su indicador 
Figura 3.11: Circuito de potencia del calentador 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 46 
 
 
 
Para activar el indicador de nivel alto se selecciona un arreglo Darligton de 
transistores, este arreglo consiste en un transistor que amplifica una señal 
para activar un transistor más poderoso. En la Figura 3.13 se muestra el 
circuito de potencia para el indicador de nivel alto utilizando este tipo de 
arreglo. 
 
 
3.5 Programación del microcontrolador 
Para la programación del PIC16F877 se utiliza el software MPLAB IDE. 
MPLAB IDE (Integrated Development Enviroment) es un software gratuito 
para la integración y desarrollo de aplicaciones con microcontroladores 
(PIC's), la programación puede realizarse en lenguaje ensamblador o en 
lenguaje C. MPLAB incorpora todas las herramientas necesarias para la 
realización de cualquier proyecto, ya que además de un editor de textos 
cuenta con un simulador en el que se puede ejecutar el código paso a paso 
para ver así su evolución y el estado en el que se encuentran sus registros 
en cada momento. 
Para esta aplicación se utiliza un compilador MPLAB C y la versión MPLAB 
7.51. 
 
Figura 3.13: Circuito de potencia del indicador de nivel alto 
TIP 41 
TIP 41 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 47 
 
 
3.5.1 Salida PWM del microcontrolador 
Para poder programar la salida PWM del microcontrolador es preciso 
conocer la frecuencia y el periodo del PWM necesarios para manipular la 
bomba de manera correcta. Una incorrecta selección de estos parámetros 
puede ocasionar problemas como: ruido audible proveniente del MOSFET, 
interferencia en el circuito del MOSFET y pérdidas de potencia en cada 
conexión y desconexión. 
 
Una manera de seleccionar una frecuencia de operación adecuada para el 
PWM es decidir en qué porcentaje se requiere que la corriente del motor 
sea estable y posteriormente utilizar la siguiente Fórmula para calcular la 
frecuencia correspondiente. 
(%)
2 1
100
R
f
P
L Ln

 
   
 
 
 
Los valores de R y L se obtienen al realizar las correspondientes 
mediciones en el motor: 
R=2.4Ω y L=0.0044H, 
 
por lo tanto se tiene que: 
2.4 272.727
(%) (%)
2(0.0044) 1 1
100 100
f
P P
Ln Ln

 
   
      
   
 
 
En la Figura 3.14 se muestra la gráfica de la fórmula anterior para valores 
de P de 0 a 100 (porcentaje de potencia): 
 
 
(3.1) 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 48 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Como se muestra en la Figura 3.15, un porcentaje razonable de la potencia 
puede lograrse a partir de una frecuencia del PWM de 1000Hz los cuales 
corresponden al 23.87% de la potencia total. 
 
Utilizando la siguiente Ecuación para calcular el periodo se tiene que: 
1 1
1
1000
T ms
f Hz
  
,
 
 
por lo tanto el periodo mínimo a utilizar en el PWM es de 1ms. 
El microcontrolador PIC16F877 cuenta con dos salidas PWM, CCP1 (pin 17) 
y CCP2 (pin 16). La salida PWM CCP1 se controla usando el Timer2 y los 
registros PR2, T2CON, CCPR1L y CCP1CON. 
 
Figura 3.14: Gráfica de la frecuencia del PWM contra el porcentaje de 
potencia del motor 
(3.2) 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 49 
 
 
El periodo de la salida PWM CCP1 se selecciona al guardar un valor en el 
registro PR2 y seleccionando un multiplicador para el reloj, puede ser 1, 4 
o 16. 
 
La siguiente nos muestra como calcular el periodo del PWM CCP1. 
 
 
 
Se determina el periodo de 1ms al guardar el valor 249 en PR2 y 
seleccionando el multiplicador igual a 4 como se muestra en la 
siguiente Ecuación. 
 
 
 
El ciclo positivo es de 10 bits de ancho (de 0 a 1023) y se selecciona 
cargando los 8 bits superiores en el registro CCPR1L y los 2 bits inferiores 
en los bits 4 y 5 del registro CCP1CON. La Ecuación siguinete muestra 
como calcular el ciclo positivo del PWM: 
 
 
 
Los bits 2 y 3 del registro CCP1CON deben ser puestos a uno para que el 
microcontrolador se encuentre en modo PWM. La Figura 3.15 muestra 
como el ciclo positivo del PWM se selecciona utilizando los registros 
CCPR1L y CCP1CON. 
 
( 2 1)*4* ( )Periodo OSCPWM PR T Multiplicador  
(249 1)*4*0.250*4 1000 1PeriodoPWM s ms   
( _ ) ( 1 : 1 )* *( )ciclo positivo OSCPWM CCPR L CCP CON T Multiplicador
(3.3) 
(3.4) 
(3.5) 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 50 
 
 
 
 
3.5.2 Programación del controlador PI 
La Ecuación 3.6 define la función de transferencia del PI, obtenida a partir 
de la Ecuación 2.3: 
1
( ) 1 ( )p
i
U s K E s
T S
 
  
 
 
La forma discreta del controlador PI es la transformada Z de la ecuación 
3.6: 
1
( ) ( ) 1
(1 )
p
i
T
U z E z K
T z
 
  
 
 
La ecuación anterior puede reescribirse de la siguiente manera: 
1
( )
( ) (1 )
U z b
a
E z z
 

 
pa K 
p
i
K T
b
T
 
En la Figura 3.16 se muestra el diagrama a bloques de la ecuación anterior 
en base a las siguientes ecuaciones: 
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
p kT be KT p kT T
u kT p kT aek t
  
 
 
 
Figura 3.15: Uso de los registros CCPR1L y CCP1CON para el PWM 
(3.6) 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 51 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La programación del PI discreto se basa en un ciclo infinito en el cual se lee 
la salida del sistema (RTD), se calcula el error y se calculan los términos P e 
I para mandar una acción de control. El ciclo completo se muestra a 
continuación: 
Obtener Set Point: ( )r kT 
Obtener la salida del sistema: ( )y kT 
Calcular el error: ( ) ( ) ( )e kT r kT y kT  
Calcular el término I: ( ) ( ) ( )p kT be KT p kT T   
Calcular la salida del PI: ( ) ( ) ( )u kT p kT aek t  
Enviar señal de control 
Guardar Variables: 
( ) ( )
( ) ( )
p kT T p kT
e kT T ek t
 
  
Esperar siguiente muestreo: 
 
En la Figura 3.17 se muestra el diagrama de flujo de la programación del 
controlador en el microcontrolador. Para el código completo de la 
programación ver anexo 9.Figura 3.16: Diagrama a bloques del controlador PI discreto. 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 52 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.5.3 Programación de los dispositivos del proceso 
Como se menciona en el Capítulo 3, varios dispositivos del la unidad de 
proceso son activados por el microcontrolador: el agitador, el enfriador, el 
calentador, la solenoide de desviación y los indicadores luminosos 
correspondientes al enfriador y la solenoide. 
 
Para programar la activación de los dispositivos antes mencionados es 
necesario configurar los pines 19, 20, 21, 22, 27, 28 como salidas 
digitales, estas salidas se configuran utilizando el registro TRISD. La 
Tabla 3.2 muestra la configuración de los pines correspondientes al 
registro TRISD seleccionada para esta aplicación y el dispositivo que 
accionara cada salida. Esta configuración se obtiene al guardar el valor 
binario 00111111 en TRISD. 
Figura 3.17: Diagrama de flujo de la programación del PI 
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador 
 
|Instituto Politécnico Nacional 53 
 
 
 
 
Nombre Configuración Dispositivo 
RD0 Entrada Sensor de Nivel Alto 
RD1 Salida Agitador 
RD2 Salida Enfriador e Indicador 
RD3 Salida Calentador 
RD4 Salida Solenoide e indicador 
RD5 Salida Indicador de Nivel alto 
RD6 - Sin conexión 
RD7 - Sin conexión 
 
RD0 se configura como entrada digital para ser utilizada por el sensor de 
nivel alto, en el Capítulo 4 se explica la programación correspondiente a 
esta señal de entrada. 
 
En el código de la programación las salidas RD1, RD2, RD3, RD4 y RD5 se 
ponen a 1 para que siempre estén activadas, estas señales de salida 
accionan los circuitos de potencia antes mencionados para activar los 
dispositivos de la unidad de proceso. 
 
En la programación del microcontrolador se incluye una condición de 
seguridad para el calentador, si la señal del sensor de nivel continuo es 
menor a 1250 mV, que corresponden a un cuarto del nivel total del tanque, 
la salida que energiza el calentador (RD3) se pone a 0 para apagarlo. 
Tabla 3.2: Configuración del registro TRISD (entradas y salidas digitales) 
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso 
 
|Instituto Politécnico Nacional 54 
 
 
4.1 Monitoreo 
El monitoreo es la medición regular de los cambios de las variables y 
estados de un proceso. Por medio del monitoreo se reúne información 
relevante la cual permite la toma de decisiones para mejorar el desempeño 
del proceso. El monitoreo también conlleva una retroalimentación de 
información sobre el progreso del proceso hacia los operadores del 
proceso. 
 
Las principales funciones del monitoreo son: 
 
 Observación: Para poder extraer información necesaria del proceso. 
 Acción: Tomar decisiones en base a la información recolectada. 
 Revisión: Inspeccionar si las condiciones del proceso se están 
cumpliendo. 
 
4.2 Necesidades de monitoreo del sistema 
 
Debido a que el proceso con el cual se está trabajando es un prototipo de 
laboratorio cuya finalidad es contribuir con la enseñanza de los estudiantes 
no es necesario un sistema de monitoreo muy completo, el sistema de 
monitoreo propuesto para esta aplicación sólo muestra en la pantalla de 
una computadora los valores de las diferentes variables del proceso: nivel 
continuo, nivel alto, flujo, temperatura del tanque de proceso, temperatura 
a la salida del enfriador y temperatura en el tanque de almacenamiento. 
 
El sistema de monitoreo sólo recibe información del microcontrolador, por 
lo tanto el envío de información de la computadora hacia el 
microcontrolador no está permitido. 
 
 
 
Capítulo 4 
Sistema de monitoreo del 
proceso. 
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso 
 
|Instituto Politécnico Nacional 55 
 
 
4.3 Medición de las variables del sistema 
 
La primer parte del sistema de monitoreo es la medición de las variables 
físicas que se desean monitorear y el acondicionamiento de estas señales 
para poder ser recibidas por el microcontrolador. En el capítulo 1 se 
describen brevemente los distintos sensores con los cuales cuenta la 
unidad de proceso para medir las principales variables de proceso y en el 
capítulo 2 se explica el acondicionamiento de señal del sensor de 
temperatura tipo RTD, por lo cual a continuación sólo se describe el 
acondicionamiento de señal de los demás sensores: nivel continuo, nivel 
alto y flujo. 
 
4.3.1 Sensor Continuo de Nivel 
 
El sensor continuo de nivel es de tipo capacitivo, se alimenta con 15 VCD y 
entrega una señal analógica de 0 a 5 VCD en relación lineal con el nivel del 
tanque de proceso. El volumen del tanque de proceso es de 2.9 litros, por 
lo tanto se deduce que a cada aumento de 1 volt en la salida del sensor 
corresponde un incremento de 0.58 litros en el tanque. 
 
La respuesta del sensor ante el aumento de nivel del tanque se obtiene de 
manera experimental con un osciloscopio y se muestra en la Figura 4.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4.1: Respuesta del sensor continuo de nivel 
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso 
 
|Instituto Politécnico Nacional 56 
 
 
Como se observa en la Figura 4.1, existe mucho ruido a la salida del sensor 
ocasionado por el movimiento del agitador, por lo tanto es necesario un 
filtro para reducir el ruido. 
 
El filtro consta de una resistencia en paralelo a la salida del sensor como se 
muestra en la Figura 4.2, el valor de esta resistencia es definido de manera 
experimental por medio de un potenciómetro, la resistencia del 
potenciómetro es variada hasta obtener una respuesta del sensor 
satisfactoria en la pantalla del osciloscopio. 
 
 
 
 
En la Figura 4.3 se muestra la señal del sensor después de ajustar el 
potenciómetro a una resistencia de 1.31KΩ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4.3: Respuesta del sensor con el filtro 
Figura 4.2: Circuito del filtro del sensor continuo de nivel 
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso 
 
|Instituto Politécnico Nacional 57 
 
 
Como se observa en la Figura 4.3 la respuesta del sensor mejora 
considerablemente con la ayuda del filtro, esta señal ya puede ser 
mandada directamente al microcontrolador sin necesidad de algún otro 
tipo de acondicionamiento de señal, ya que el sensor entrega una señal 
analógica de 0 a 5 volts y a que el PIC 16F877 cuenta con 8 entradas 
analógicas; la conversión analógica digital se lleva a cabo dentro del 
microcontrolador. 
 
 
4.3.2 Sensor de nivel alto 
 
El sensor de nivel alto de la unidad de proceso es un interruptor accionado 
por un flotador; la señal del sensor es digital, 0 volts si el nivel es bajo y 5 
volts si el nivel es alto. El acondicionamiento de señal de este sensor 
corresponde a asegurar el cero lógico cuando el nivel es bajo, esto se logra 
conectando a su salida una resistencia a tierra como se muestra en la 
Figura 4.4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.3.3 Sensor de flujo 
 
El sensor de flujo entrega una señal de pulsos, la frecuencia de esta señal 
es directamente proporcional al flujo. El acondicionamiento de señal 
convierte el valor de frecuencia a una señal analógica de voltaje (0-5V). El 
circuito de acondicionamiento de señal se basa en un tacómetro digital 
LM2917. El diagrama completo de conexiones del acondicionamiento de 
señal del sensor de flujo se muestra en la Figura 4.5. 
 
Figura 4.4: Acondicionamiento de señal del sensor de nivel alto 
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso 
 
|Instituto Politécnico Nacional 58 
 
 
 
 
 
El tren de pulsos del sensor es muestreado en el pin 1, el disparador 
Schmitt convierte la entrada en pulsos digitales, además el límite de 
activación del Schmitt previene falsas activaciones del charge pump 
(Convertidor de frecuencia a CD) debido a interferencias. Por cada pulso 
provenientedel Schmitt el Charge Pump aumenta la corriente en los pines 
2 y 3, la resistencia del pin 3 transforma esta corriente en un voltaje, el 
capacitor del pin 3 tiene la función de suavizar la señal de voltaje; esta 
señal se conecta a la entrada no invertida del amplificador operacional el 
cual está configurado como seguidor. La salida del amplificador se encarga 
de activar el transistor TR1. 
 
 
Figura 4.5: Acondicionamiento de señal del sensor de flujo 
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso 
 
|Instituto Politécnico Nacional 59 
 
 
 
El voltaje del acondicionamiento puede ser variado al ajustar la ganancia 
(potenciómetro), esta resistencia varía el voltaje en la base del transistor 
BC182L, entre mayor sea la ganancia mayor será el voltaje en la base y la 
corriente del colector al emisor, por lo tanto una caída de voltaje mayor se 
produce en la resistencia del emisor, siendo este el voltaje de salida del 
acondicionamiento de señal. 
 
Una vez que se tiene el acondicionamiento de las señales provenientes de 
los distintos sensores de la unidad de proceso estas pueden ser utilizadas 
como entradas para el microcontrolador. 
 
 
4.4 Envío de datos 
 
El envío de información se realiza al mandar los datos recibidos por el 
microcontrolador (señales de los sensores) hacia la computadora donde se 
realiza el monitoreo. 
 
El PIC 16F877 puede conectarse a otros dispositivos (computadora, 
microcontroladores, etc.) mediante el uso de los pines 25 y 26 por medio 
de una comunicación serial. En este tipo de comunicación la información se 
transmite bit por bit, esto quiere decir que sólo un bit es transmitido en un 
tiempo en particular. 
 
La comunicación serial puede ser síncrona o asíncrona: 
 
 Comunicación síncrona: La información es transmitida del 
transmisor al emisor en una secuencia definida por la frecuencia del 
reloj. El transmisor y emisor están sincronizados con el mismo reloj. 
 Comunicación asíncrona: El transmisor y el receptor no están 
sincronizados, cada envío de datos tiene un bit que indica el 
comienzo de la transmisión y un bit para indicar el final de la 
transmisión. 
 
Para esta aplicación se utiliza la comunicación asíncrona ya que representa 
una opción más sencilla que la comunicación síncrona y aún es viable para 
las necesidades de comunicación del sistema. 
 
 
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso 
 
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4.4.1 Configuración de la transmisión de datos 
 
Para poder establecer una comunicación con el PIC es necesario configurar 
dos de sus registros: TXSTA para configurar el envío de datos y RCSTA para 
configurar la recepción de datos. En la figura 4.6 se muestran los bits del 
registro TXSTA. Debido a que el sistema de monitoreo propuesto no 
incluye que el microcontrolador reciba datos de la computadora no es 
necesario configurar el registro RCSTA. 
 
 
 
 
 
Bit 7: CSRC: Clock Source Select Bit 
Modo asíncrono. 
 1 = Modo Maestro. 
 0 = Modo Esclavo 
 
Bit 6: TX9: 9-bit Transmit Enable Bit 
 1 = Transmisión de 9-bits 
 0 = Transmisión de 8-bits 
 
Bit 5: TXEN: Transmit Enable Bit 
 1 = Habilitar Transmisión 
 0 = Deshabilitar Transmisión 
 
Bit 4: SYNC: USART Mode Select Bit 
 1 = Modo Síncrono 
 0 = Modo Asíncrono 
 
 
 
BIT 3: Sin Uso 
 
BIT 2: BRGH: High Baud Rate Select Bit 
 Modo Asíncrono 
 1 = Velocidad Alta 
 0 = Velocidad Baja 
 
BIT 1: TRMT Transmit Shift Register 
Status Bit 
 1 = TSR Vacío 
 0 = TRS lleno 
 
BIT 0: TX9D 9th Bit of Transmit Data. 
 Puede Ser Bit de Paridad
 
 
 
 
Figura 4.6: Registro TXSTA del PIC 16F877 
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En base a lo anterior se requiere cargar el valor binario 10100010 en el 
registro TXSTA, el cual corresponde a una comunicación en modo maestro, 
transmisión de 8 bits, asíncrona y de baja velocidad. 
 
La información que se desea mandar se carga en el registro TXREG (8 bits). 
Al mismo tiempo esta información se carga en el registro TSR, el cual es 
usado como buffer temporal antes de ser enviada. 
 
Otros registros importantes para la comunicación son: 
 TXIF: Indica si TXREG está lleno o vacío y listo para cargar nueva 
información. 
 TXIE: Habilita la interrupción en caso de que TXREG esté lleno y TXIF 
sea 1. 
 SPBRG: Selecciona la velocidad de transmisión (Baudios) 
 TXEN: Habilita SPBRG 
 
Para seleccionar la velocidad de transmisión es necesario seleccionar un 
nuevo valor del reloj del sistema. El valor del reloj es determinado por un 
número en hexadecimal cargado en el registro SPBRG. En este caso se 
utiliza una velocidad de 9600 baudios por lo cual se debe seleccionar el 
valor de 6 en el registro SPBRG. 
 
4.4.2 Programación del envío de datos 
 
El envío de datos se realiza al cargar el valor que se desea enviar en el 
registro TXREG, si se desea enviar otro valor sólo se debe esperar hasta 
que el envío anterior haya finlaizado (cuando el registro TRMT regresa al 
valor de 1). 
 
En esta aplicación se envían los valores numéricos de las siguientes 
variables: 
 
 Temperatura del tanque de proceso (RTD1) 
 Temperatura del tanque de almacenamiento (RTD2) 
 Temperatura en la salida del enfriador (RTD3) 
 Flujo 
 Nivel continuo del tanque 
 Nivel alto 
 
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Las señales de estas mediciones (excepto la de nivel alto), después de su 
respectivo acondicionamiento de señal son conectadas a las entradas 
analógicas del PIC, la señal de nivel alto se conecta una entrada digital. 
 
Una vez que el PIC ha recibido las diferentes señales analógicas se procede 
a realizar la conversión analógico-digital. Para configurar el convertidor 
analógico-digital se utilizan los registros ADCON0 y ADCON1. 
 
En el registro ADCON1 se carga el valor binario 10000000 para configurar 
los pines 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 como entradas analógicas. 
 
 
Para comenzar la conversión se debe poner a 1 el bit 2 del registro 
ADCON0, los bits 3-5 se utilizan para seleccionar la entrada analógica que 
se convertirá, la Tabla 4.1 muestra los valores correspondientes a cada 
entrada analógica así como la señal de los sensores conectados a cada 
entrada. 
 
 
 
 
Valor binario 
Bits 3-5 del registro 
ADCON0 
Entrada Analógica Señal 
000 AN0 RTD1 
001 AN1 RTD2 
010 AN2 RTD3 
011 AN3 - 
100 AN4 - 
101 AN5 Nivel Continuo 
110 AN6 Flujo 
111 AN7 - 
 
 
Tabla 4.1: Valores correspondientes en el registro ADCON0 de las entradas analógicas 
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Al término de cada conversión se carga el valor obtenido en el registro 
TXREG para ser transmitido, la siguiente conversión se realiza una vez 
finalizada la transmisión. 
 
La señal del sensor de nivel alto se conecta en el pin 19 (RD0) y se 
maneja como entrada digital, si la señal es igual a uno se activa la salida 
RD5 la cual enciende el indicador luminoso de nivel alto por medio del 
circuito de potencia. El valor binario de esta entrada es enviado por el 
puerto serie de la misma manera que los valores de las otras variables del 
proceso. 
 
La Figura 4.7 muestra el diagrama de flujo de la programación para el 
envío de información a través del puerto serie del PIC. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4.7: Diagrama de flujo del envío de datos 
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4.4.3 Protocolo de comunicación 
 
El RS232 es un protocolo de comunicación el cual utiliza lógica inverso y 
voltajes menores a -5V y mayores a +5V para representar los niveles 
lógicos. El PIC transmite y recibe información utilizando voltajes de 0 y 5 V 
para representar los niveles lógicos.