resum - core · microcontrolador per a fer possible la gestió automàtica de l‟aigua i la...

Disseny i implementaci dun sistema intelligent de gesti de laigua domstica Pg. 1

Resum

Lincrement del preu dels recursos de la llar tals com el gas, lelectricitat i laigua ha estat una

constant en els ltims anys. Lestalvi de lelectricitat ha estat un ampli tema destudi i, per

aquest motiu, ja existeixen en el mercat un conjunt delements que el fan possible a un preu

assequible. Tamb en el ltims anys, la construcci dhabitatges amb allaments que disposen

de rendiments trmics elevats ha sigut una preocupaci per a arquitectes i enginyers. No

obstant lafany per estalviar aigua no ha estat, ni de bon tros, a laltura de linters de lestalvi

dels altres dos bens domstics.

LAgncia Catalana de lAigua vol incrementar un 5,2% el cnon de laigua el 2013 i pretn

incrementar-lo fins a un 25% en quatre anys. Tamb a nivell nacional es prediu que el preu de

laigua augmenti fins a un 50%. Els compromisos assolits amb la UE en matria de tractament

daiges residuals, obligaran al govern espanyol a dur a terme obres per valor de 10.000

milions deuros en els prxims set anys per poder complir la Directiva Marc de lAigua. Aquesta

inversi es veur retribuda a la factura dels usuaris.

La factura de laigua, per tant, suposar un percentatge important en els costos domstics i a

diferncia dara, pot ser que lestalvi de laigua es converteixi en una qesti a tenir en compte.

s per aquest motiu que el segent treball pretn dissenyar un aparell que permeti obtenir un

estalvi en la factura de laigua, i permeti monitoritzar una srie de variables per poder analitzar

ms endavant altres estratgies destalvi.

El projecte consta de tres parts. La primera part consisteix en el disseny dun sistema de

valvuleria i canonades que permeti realitzar un control sobre la temperatura de laigua i sobre el

cabal que hi circula. La segona part consisteix en el disseny i implementaci del control en un

microcontrolador per a fer possible la gesti automtica de laigua i la monitoritzaci duna srie

de variables que puguin ser dinters. La tercera part consisteix en el disseny i implementaci

duna PCB que proporciona alimentaci al sistema i que sencarrega dacondicionar els senyals

dentrada i sortida entre el microcontrolador i els aparells exteriors.



Sumari

RESUM ______________________________________________________ 1

SUMARI _____________________________________________________ 3

NDEX DE FIGURES ___________________________________________ 7

1. GLOSSARI _______________________________________________ 9

2. PREFACI ________________________________________________ 13

2.1. Origen del projecte ....................................................................................... 13

2.2. Motivaci ...................................................................................................... 13

3. INTRODUCCI ___________________________________________ 15

3.1. Objectius del projecte................................................................................... 15

3.1.1. Coneixements a assolir ................................................................................... 15

3.1.2. Objectius a assolir ........................................................................................... 15

4. DISSENY I MODELITZACI DEL SISTEMA ____________________ 17

4.1. Determinaci de les vlvules ....................................................................... 17

4.1.1. Fonaments terics ........................................................................................... 17

4.2. Modelitzaci en Matlab ................................................................................ 23

4.2.1. Temperatura dequilibri.................................................................................... 23

4.2.2. Resposta temporal de la temperatura ............................................................. 23

4.2.3. Cabal ............................................................................................................... 24

4.2.4. Carrera de les vlvules.................................................................................... 26

5. COMPONENTS PER AL CONTROL __________________________ 29

5.1. Sensor de temperatura ................................................................................ 29

5.2. Cabalmetre ................................................................................................. 30

5.3. Vlvula proporcional .................................................................................... 30

5.4. Vlvula mescladora ...................................................................................... 31

6. DISSENY DE LA PCB _____________________________________ 33

6.1. Alimentaci .................................................................................................. 33

6.1.1. Alimentaci digital ........................................................................................... 33

6.1.2. Alimentaci analgica ..................................................................................... 34


6.1.3. Alimentaci de les vlvules .............................................................................. 35

6.2. Circuit per a la mesura del cabal .................................................................. 35

6.3. Circuit per la mesura de temperatura ........................................................... 36

6.4. Convertidors Analgic-Digital ....................................................................... 37

6.4.1. Acondicionament del ADC0 ............................................................................. 38

6.4.2. Acondicionament del ADC1 ............................................................................. 39

6.5. Convertidor Digital-Analgic ......................................................................... 41

6.5.1. Acondicionament dels DACs ........................................................................... 41

6.5.2. Referncia de tensi ........................................................................................ 42

7. COMPONENTS DEL SISTEMA ______________________________ 43

7.1. Microcontrolador Concerto ......................................................................... 43

7.1.1. Nucli ARM ....................................................................................................... 43

7.1.2. Nucli C28 ......................................................................................................... 43

7.2. PC-embeded................................................................................................. 44

7.2.1. Hardware ......................................................................................................... 44

7.2.2. Software .......................................................................................................... 46

8. PROGRAMACI DELS ELEMENTS __________________________ 49

8.1. Sistema operatiu RTOS-TI ........................................................................... 49

8.2. Programaci del ARM ................................................................................... 49

8.2.1. Servidor Web ................................................................................................... 49

8.2.2. Servidor TCP-IP i comunicaci entre nuclis ..................................................... 50

8.3. Programaci del PC-embeded ..................................................................... 51

8.4. Programaci del C28 .................................................................................... 51

8.4.1. Lectures ADC i ECAP ...................................................................................... 51

8.4.2. Ordres SPI i DAC ............................................................................................ 51

8.4.3. Control del cabal .............................................................................................. 52

8.4.4. Control de la temperatura ................................................................................ 58

9. MUNTATGE DEL SISTEMA _________________________________ 65

9.1. Disseny del circuit de canonades ................................................................. 65

9.2. Anlisi i calibratge dels aparells de mesura .................................................. 69

10. IMPACTE MEDIAMBIENTAL ________________________________ 73

11. ANLISI ECONMIC ______________________________________ 75


11.1. Recursos humans ........................................................................................ 75

11.2. Recursos materials ...................................................................................... 76

CONCLUSIONS I LNIES FUTURES ______________________________ 77

AGRAMENTS _______________________________________________ 79

BIBLIOGRAFIA ______________________________________________ 81

ANNEX 1 ____________________________________________________ 83

Clculs per a la determinaci de les KVs .............................................................. 83

ANNEX 2 ____________________________________________________ 85

ANNEX 3 ____________________________________________________ 93

Codi font de lARM ................................................................................................. 93

Funci principal ............................................................................................................ 93

Codi font del C28 ................................................................................................... 98

Funci principal ............................................................................................................ 98



ndex de figures

Fig. 4.1. Esquema de la fontaneria...............................................................................................17

Fig. 4.2. Esquema de les forces tallants en una canonada..........................................................19

Fig. 4.3. Esquema de la fontaneria amb caigudes de pressi.....................................................20

Fig. 4.4. Percentatge de prdua denergia en la vlvula proporcional ........................................21

Fig. 4.5. Cabal total en funci de la carrera de la vlvula mescladora ........................................22

Fig. 4.6. Esquema de simulaci de la temperatura......................................................................24

Fig. 4.7. Esquema de simulaci del cabal.....................................................................................24

Fig. 4.8. Caracterstica de cabal de la vlvula mescladora..........................................................25

Fig. 4.9. Caracterstica de cabal de la vlvula proporcional.........................................................25

Fig. 4.10. Simulaci del comportament de la vlvula mescladora...............................................26

Fig. 4.11. Simulaci del comportament de la vlvula proporcional..............................................27

Fig. 5.1. Termistor per al sensat de la temperatura......................................................................29

Fig. 5.2. Cabalmetre V10981 dRS..............................................................................................30

Fig. 5.3. Vlvula proporcional i adaptador de senyal....................................................................31

Fig. 5.4. Vlvula mescladora de tres vies i actuador TAC Forta 310...........................................31

Fig. 6.1. Alimentaci digital............................................................................................................34

Fig. 6.2. Alimentaci analgica i allament dels terres.................................................................34

Fig. 6.3. Referncia de tensi per a la resistncia de pull up.......................................................35

Fig. 6.4. Pont de Wheastone.........................................................................................................36

Fig. 6.5. Tensi del node positiu del voltmetre en funci de la temperatura del sensor.............37

Fig. 6.6. Amplificador operacional en topologia de restador inversor..........................................38

Fig. 6.7. Circuit dacondicionament del senyal de posici de la vlvula mescladora...................39

Fig. 6.8. Amplificador operacional en topologia de seguidor de tensi........................................40

Fig. 6.9. Circuit dacondicionament del senyal de la temperatura................................................40

Fig. 6.10. Esquema del DAC extern i etapa dacondicionament de la sortida.............................42

Fig. 6.11. Referncia de tensi per al DAC...................................................................................42

Fig. 7.1. Microcontrolador Concerto (Texas Instruments)..........................................................43

Fig. 7.2. Mdul del Processador SODIMM Module DIMM-AM335x.............................................44

Fig. 7.3. Placa Base. DIMM-Base Verno......................................................................................45

Fig. 7.4. Esquema dels components de la mquina virtual..........................................................46

Fig. 7.5. Esquema dels components del BSP..............................................................................47

Fig. 7.6. Diagrama doperaci per al desenvolupament de programes.......................................47

Fig. 8.1. Pgina web interfcie home-mquina..............................................................................50


Fig. 8.2. Diagrama doperaci de comunicacions.........................................................................50

Fig. 8.3. Trama per a la configuraci del DAC..............................................................................52

Fig. 8.4. Taula de combinacions per a lactualitzaci del SPI......................................................52

Fig. 8.5. Esquema del control........................................................................................................53

Fig. 8.6. Resposta temporal del cabal 1........................................................................................54




Fig. 8.10. Resposta temporal del cabal 5......................................................................................56

Fig. 8.11. Resposta temporal del cabal soluci final.....................................................................57

Fig. 8.12. Resposta temporal de la temperatura optimitzada (Nivell 16 i cabal 0,03l/s)..............60

Fig. 8.13. Resposta temporal de la temperatura sense optimitzar (Nivell 16 i cabal 0,03 l/s)......61

Fig. 8.14. Resposta temporal de la temperatura sense optimitzar (Nivell 12 i cabal 0,05l/s)......61

Fig. 8.15. Resposta temporal de la temperatura optimitzada (Nivell 12 i cabal 0,05l/s)..............62

Fig. 8.16. Resposta temporal de la temperatura funcionament normal.......................................63

Fig. 8.17. Resposta temporal de la temperatura funcionament normal optimitzat......................63

Fig. 9.1. Detall de la vlvula mescladora i entrades freda i calenta.............................................65

Fig. 9.2. Detall de la sortida de la vlvula mescladora i tram per al sensor de temperatura.......66

Fig. 9.3. Detall del cabalmetre amb els trams anterior i posterior..............................................67

Fig. 9.4. Detall de la vlvula proporcional i tram delevaci dalada..........................................67

Fig. 9.5. Detall de les vlvules reductores de pressi..................................................................68

Fig. 9.6. Sistema de fontaneria complet........................................................................................68

Fig. 9.7. Sistema de fontaneria amb interfcie home-mquina.....................................................69

Fig. 9.8. Recta de regressi per al calibratge del sensor de temperatura...................................70

Fig. 11.1. Taula de costos dels recursos humans daprenentatge i investigaci.........................75

Fig. 11.2. Taula de costos dels recursos humans per lelaboraci i muntatge............................76

Fig. 11.3. Taula de costos dels recursos materials per lelaboraci i muntatge...........................76


1. Glossari

: Prdua denergia en la rama daigua calenta.

: Prdua denergia en la rama daigua freda.

: Prdua denergia en la rama de sortida.

: Prdua denergia a la vlvula mescladora deguda al cabal daigua calenta.

: Prdua denergia a la vlvula mescladora deguda al cabal daigua freda.

: Prdua denergia a la vlvula proporcional.

: Prdues de pressi.

: Rugositat.

: Densitat.

: Viscositat dinmica.

: Constant de fregament del fluid.

ADC : Convertidor Analgic-Digital (en angls: Analog to Digital Converter).

ARM : Arquitectura de microprocessador basada en RISC

BSP : Board Suport Package.

: Coeficient de temperatura.

CSV : Coma Separated Value.

D : Dimetre.

DAC : Convertidor Analgic-Digital ( en angls: Digital to Analog converter).

DSP : Processador digital de senyals (en angls: Digital signal processor).

: Energia.

: Energia a linici de la rama calenta.

: Energia a linici de la rama freda.

: Energia a la sortida del sistema.

: Energia en la vlvula mescladora.

: Energia en la vlvula mescladora calculada per laigua calenta.

: Energia en la vlvula mescladora calculada per laigua freda.

ECAP : Enhaced Capture Module.

f : Coeficient de fricci.

g : Gravetat.

IP : Internet protocol.

Kvalv : Constant de prdues de crrega en funci del quadrat cabal.

Kv : Constant de cabal.

PCB : Placa de circuit imprs (en angls: Printed Circuit Board).


: Constant de prdues de crrega de la vlvula mescladora en funci del quadrat cabal

daigua calenta.

: Constant de prdues de crrega de la vlvula mescladora en funci del quadrat cabal

daigua freda.

: Constant de prdues de crrega de la vlvula proporcional en funci del quadrat cabal.

: Constant de cabal per al pas daigua calenta.

: Constant de cabal per al pas daigua freda.

KMvs : Constant de cabal mxima de la vlvula mescladora.

KPvs : Constant de cabal mxima de la vlvula proporcional.

L : Llargada.

m.c.a : Metres columna daigua.

NFS : Network File System.

P : Pressi.

: Pressi atmosfrica.

: Pressi aigua calenta.

: Pressi aigua freda.

PBB : Bifenils polibromats.

PBDE : ters difenil polibromats.

Q : Cabal.

: Cabal daigua calenta.

: Cabal daigua freda.

: Cabal total.

RAAE : Reciclatge dAparells Elctrics i Electrnics.

Re : Nombre de Reynolds.

RISC: Reduced instruction set computing.

RoHS : Restrictions of Hazardous Substancies.

RTOS-TI : Sistema operatiu (en angls: Real Time Operating Sistem Texas Instruments).

S : Superfcie.

SDK : Suport Development Kit.

SDRAM : Single Data Rate Synchronous Dynamic Random Acces Memory.

SPI : Serial Periferal Interface.

: Temperatura aigua calenta.

: Temperatura aigua freda.

: Temperatura de la mescla.

TCP : Transmission Control Protocol.


TFT-LCD : Thin Film Transistor- Liquid Crystal Display.

TFTP : Trivial File Transfer Protocol.

z : Alada.

: Alada inicial aigua calenta.

: Alada inicial aigua freda.

: Alada de la sortida.



2. Prefaci

2.1. Origen del projecte

La gesti intelligent dels recursos ha pres molta importncia en els ltims anys. s evident la

recerca de leficincia duta a terme en gaireb tots els mbits de la llar: illuminaci de baix

consum, automatitzaci de lencesa i apagada de llums, allaments per a la calefacci i

refrigeraci, etc. Un dels mbits en el que no sha posat especial mfasis per, s en el de

lestalvi de laigua. El producte final daquest projecte s una eina til per a lestalvi daigua i per

a la monitoritzaci del consum per a la posterior presa de decisions.

2.2. Motivaci

Aquest projecte ha estat motivat a partir dun projecte intern del grup de recerca CITCEA-UPC.

La necessitat de que els seus membres aprenguin a utilitzar un microcontrolador de dos nuclis

(Concerto de Texas Instruments) i un PC-embeded recentment adquirit, ha propiciat la

incorporaci daquests dos aparells en la realitzaci del projecte.

A nivell personal lautor del treball tenia motivaci per a fer un projecte multidisciplinari i prctic,

en el que pogus adquirir els coneixements necessaris per al disseny, muntatge i programaci

dun sistema automtic en el qual el producte final acabs essent una realitat. Tamb tenia

motivaci per haver de batallar amb els problemes que apareixen fora de lmbit teric, on els

models conceptuals i la realitat no coincideixen al 100%.



3. Introducci

3.1. Objectius del projecte

Lobjectiu del projecte consisteix en el disseny i el muntatge dun sistema automtic que controli

el flux i la temperatura de laigua duna dutxa convencional. A ms a ms sincorporar un

sistema dadquisici de dades, les quals seran enviades a un PC-embeded extern per a la

gesti dhistorials, i es crear un servidor web que permeti realitzar les funcions interfcie

home-mquina necessries.

3.1.1. Coneixements a assolir

1. Aprenentatge bsic del disseny de PCBs.

2. Aprenentatge de la programaci de microcontroladors. En concret per aquest projecte

sha utilitzat el microcontrolador Concerto de Texas Instruments amb el sistema

operatiu RTOS-TI.

3. Aprenentatge del disseny dalgorismes de control.

4. Aprenentatge de la disseny i utilitzaci de protocols de comunicaci.

5. Aprenentatge bsic de la programaci i gesti del sistema operatiu Linux per a PCs

embeded.

3.1.2. Objectius a assolir

1. Muntatge de la fontaneria necessria per a una dutxa convencional.

2. Disseny del control de cabal i temperatura.

3. Simulaci i programaci del control de cabal i temperatura per a la dutxa.

4. Programaci de les comunicacions entre el PC-embeded i el microcontrolador



Fig. 4.1. Esquema de la fontaneria

4. Disseny i modelitzaci del Sistema

El cabal resultant de la dutxa est compost per la mescla dun cabal daigua calenta i un altre

daigua freda. La suma del dos cabals s el cabal final, i la temperatura final s funci de la

proporci de cabals. Partint de les premisses anteriors sha definit el sistema de la segent

manera: una vlvula mescladora que controla la proporci dels dos fluids -calent i fred- i una

vlvula proporcional que controla la quantitat daigua total, allant aix les dues parelles (variable

a controlar i actuador).

Tuberia aigua calenta

Tuberia aigua freda

Vlvula mescladora

Vlvula proporcional Sortida

4.1. Determinaci de les vlvules

Les normes per a installacions daigua sanitria exigeixen uns cabals mxims mnims per a

diferents tipus de punts de servei: dutxes, piques i bidets, entre daltres. Aquest fet limita

inferiorment els valors Kv de les nostres vlvules.

Altrament per dur a terme un bon control sobre el cabal sha daconseguir que la caiguda de

pressi en la vlvula proporcional suposi un percentatge elevat de la total; aquest fet limita

superiorment els valors de Kv de les nostres vlvules.

4.1.1. Fonaments terics

Lequaci de Bernoulli ve donada per lexpressi:

Eq. 4.1

El balan energtic per a dues seccions dun circuit en el que hi ha prdues de crrega ve

donat per la expressi:


Eq. 4.2

Expressada en mca:

Eq. 4.3

Les prdues de crrega sn degudes a la circulaci del cabal i les podem dividir en prdues en

les canonades, prdues en les singularitats i prdues en les vlvules.

4.1.1.1. Prdues en les vlvules

Les prdues en les vlvules vnen determinades pel factor Kv proporcionat pel fabricant. La

normativa indica que Kv s el cabal en (m3/h) circulant per la vlvula quan la caiguda de pressi

s de 0.1 MPa. Kvs s el valor mxim daquest factor i correspon a la vlvula totalment oberta.

Sabent que la caiguda de pressi s proporcional al quadrat de la velocitat:

Eq. 4.4

Per tant:

Eq. 4.5

I allant :

Eq. 4.6

Passant a unitats de m.c.a i metres cbics per segon:

Eq. 4.7


4.1.1.2. Les prdues en la canonada

Les prdues en la canonada sn degudes al fregament del lquid amb les parets de la

canonada.

Eq. 4.8

Si es vol expressar en m.c.a:

Eq. 4.9

Lesfor tallant depn del tipus de fluid, laminar o turbulent. El nombre de Reynolds

determina el tipus de fluid i ve determinat per:

Eq. 4.10

En el cas dun fluid turbulent lesfor tallant depn de la viscositat i ve determinat per:

Eq. 4.11

Finalment:

Eq. 4.12

El coeficient f depn de la rugositat i del nombre de Reynolds. Hi ha diferents formes per

determinar el coeficient f.

En els casos en que el Reynolds s molt elevat el coeficient f es pot calcular a partir de la rugositat i el dimetre amb la formula de Nikuradse per a canonades rugoses.

Eq. 4.13

Fig. 4.2. Esquema de les forces tallants en una canonada


Utilitzant les dades del sistema:

i

Resulta:

4.1.1.3. Anlisi del sistema a installar

El balan denergies del sistema a installar segueix les equacions segents:

Eq. 4.14

Eq. 4.15

Eq. 4.16

Eq. 4.17

Amb el sistema dequacions anterior es poden allar els cabals Qc, Qf i Qt en funci de KPvs i

KMvs. ( Clculs a lAnnex 1 ).

Com a hiptesi es pren que les pressions i les altures de la rama freda i la rama calenta sn les

mateixes i per tant es complir tamb la igualtat .

Clcul de les Kv

Com es pot veure el cabal no s directament proporcional amb el factor Kv. Aix doncs, per tenir

possibilitats de controlar el cabal amb una vlvula proporcional, sha dintentar que la caiguda

de pressi en aquesta suposi un percentatge elevat quan la vlvula estigui totalment oberta.

Sha establert un lmit del 30%.

Fig. 4.3. Esquema de la fontaneria amb caigudes de pressi


De la condici anterior sen dedueix:

o Eq. 4.18

De les simulacions en MATLAB sha vist que el percentatge de prdua denergia del sistema en

la vlvula proporcional s mnim quan el cabal est repartit entre les dues branques a parts

iguals, daquesta manera es pren aquest com a cas ms restrictiu.

Com que la funci que determina Qt depn de KPvs i KMvs, t dos graus de llibertat. Ja que el

que es vol s que la prdua denergia sigui principalment en la vlvula proporcional, sha pres

com a soluci la KMvs mxima que oferia el distribudor amb un dimetre de . Amb aquest

criteri la KMvs s de 4m3/h.

Utilitzant les dades del sistema:

I amb les condicions anteriors:

Fig. 4.4. Percentatge de prdua denergia en la vlvula proporcional


Es dedueix que: .

Altrament, el cabal mxim mnim que dicta la normativa per a una dutxa s 0.2 l /s. Aix,

utilitzant lanlisi de lAnnex 1 i fent passar el cabal repartit per les dues branques -que s el cas

ms restrictiu- tal i com sha determinat a partir de les simulacions en MATLAB (Fig. 4.5) es

troba .

El fabricant Brkert disposa de la vlvula 2835. Aquest dispositiu es fabrica amb unes Kv de

0,45; 0,8 i 1.1 m3/h i rosca de polzada. Per al projecte sha escollit la vlvula amb una Kv de

0,8m3/h.

Fig. 4.5. Cabal total en funci de la carrera de la vlvula mescladora


4.2. Modelitzaci en Matlab

La modelitzaci en Matlab consta de dues parts; la primera part simula el sistema de valvuleria i

canonades calculant el cabal i la temperatura resultant en funci de les posicions de les

vlvules. La segona part simula el comportament del microcontrolador que dna ordres a les

vlvules, i la resposta daquestes a les consignes rebudes.

4.2.1. Temperatura dequilibri

Laigua de la sortida del circuit s el resultat de la mescla de dos fluxos daigua, un de calent i

un de fred. Per tant la temperatura de laigua s funci de les quantitats daigua de cada flux i

de la temperatura daquests.

El coeficient de temperatura quantifica la relaci entre lenergia calorfica transferida a un cos i

el canvi de temperatura que aquest experimenta. En laigua, el seu valor depn de la

temperatura i es calcula amb la segent expressi:

Eq. 4.19

Fent un balan denergia del procs, la calor perduda per laigua calenta i lobtinguda per laigua

freda han de ser la mateixa:

Eq. 4.20

Aix podem trobar la de laigua resultant en funci dels cabals fred i calent i les

temperatures respectives.

4.2.2. Resposta temporal de la temperatura

La resposta transitria de la temperatura sha assimilat a un sistema de grau 1 amb una

constant de temps de 0,2s per simular lefecte de lintercanvi de calor amb el tub de distribuci.

Per simular el temps que triga laigua en arribar al final del tub sha introdut un retrs de 0,5s.

Per al sensor de temperatura, que sha installat el ms prxim possible a la sortida de la

vlvula mescladora, sha introdut un retrs de 0,1s per simular el temps que tarda en arribar

laigua a contactar amb ell, i sha simulat la seva resposta temporal amb una constant de temps

d1,5s tal i com indica el seu datasheet.


4.2.3. Cabal

Com sha vist en lapartat anterior, per a la determinaci de la temperatura final es necessita

saber els cabals fred i calent i les temperatures daquests, les quals son prpies de la

installaci.

Aquests dos cabals sn funci de la posici de les vlvules proporcional i mescladora. Amb les

equacions de lAnnex 1 i lequaci Eq. 4.7 es pot simular el cabal en funci daquestes dues

carreres:

La constant Kv ve determinada pel fabricant en funci del senyal dentrada de la vlvula.

Fig. 4.6. Esquema de simulaci de la temperatura

Fig. 4.7. Esquema de simulaci del cabal


En la simulaci sha simplificat la part de la vlvula de tres vies. La determinaci del cabal

circulant per a cada una de les branques sha fet aproximant un grfic que facilita el fabricant en

el qual shi representa la proporci de cabals en funci de la carrera (Fig. 4.8).

El factor KMvc sha aproximat per una funci de grau 2 prenent els punts (0,0), (40,20) i

(100,100). Amb aquesta aproximaci el factor KMvc queda:

Eq. 4.21

Com est comentat en l Annex 1 el factor KMvf s el complementari.

La caracterstica de cabal de la vlvula proporcional sha simplificat com una caracterstica

proporcional. Sha pres una recta que comena en el (0,0) i acaba en el (10,1), fent una

Fig. 4.8. Caracterstica de cabal de la vlvula mescladora

Fig. 4.9. Caracterstica de cabal de la vlvula proporcional


simplificaci de la Fig. 4.9 que s un grfic que facilita el fabricant de la vlvula en el seu

datasheet.

4.2.4. Carrera de les vlvules

Les vlvules tenen un comportament bastant diferenciat degut a la tecnologia i topologia de

cadascuna.

Vlvula mescladora:

La vlvula mescladora, a lestar supeditada a la posici del motor, depn totalment del

moviment daquest. El funcionament del motor s molt senzill: en rebre un senyal dentrada

entre 0 a 10V (corresponents a les posicions mnima i mxima) el motor mou la tija de la vlvula

fins a la posici indicada amb una velocitat . Per tant la velocitat daquesta

vlvula segueix el segent algoritme:

Si (Posici_actualPos_consigna)

{

velocitat =

}

Si no

{

velocitat = 0

}

Posteriorment per simular el comportament de la posici sutilitza un integrador.

Fig. 4.10. Simulaci del comportament de la vlvula mescladora


Vlvula proporcional:

En la vlvula proporcional, en canvi, la proporci de caiguda de pressi depn dun tren de

polsos. El temps de cicle daquest tren depn duna entrada entre 0 i 10V, que pot variar molt

en poc temps. Per seguretat per, la vlvula permet suavitzar la resposta a un gra per evitar

canvis bruscos que podrien danyar la vlvula (p.e. lefecte cop dariet).

El temps de canvi sha escollit de 0,3s per a no perdre velocitat de resposta i, per tant, per

simular el comportament de la vlvula, sha introdut una funci de transferncia de primer ordre

amb una costant de temps de 0.075s.

Tamb sha incorporat un bloc saturador el qual no deixa que la posici de la vlvula

sobrepassi els lmits que disposa.

Fig. 4.11. Simulaci del comportament de la vlvula proporcional.



5. Components per al control

En aquesta secci sexplica el funcionament dels components per a la realitzaci del sistema

de gesti de laigua. Aquests components sn els sensors i actuadors que fan possible mesurar

i modificar les variables a controlar en funci de les seves consignes i el seu valor actual.

5.1. Sensor de temperatura

El sensor de temperatura que sutilitza s el EGX2-250 dSchneider Electric. Aquest s un

termistor que varia la seva resistncia en funci de la temperatura. El dispositiu t un rang

doperaci dentre -40C i 100C el qual queda dins dels marges lgics duna dutxa

convencional. El motiu ms important pel qual sha escollit aquest termistor per, s la seva

constant de temps (1,5s). La velocitat de mesura de temperatura s crtica degut a la

naturalesa de laplicaci: el fet de que la temperatura final del flux depengui de la mescla dun

fluid fred i dun de calent, comporta unes variacions molt rpides de la temperatura. En canvi,

en les aplicacions ms convencionals el control de la temperatura depn de lescalfament del

sistema, cosa que fa que llevat que no es disposi dunes potncies descalfament molt

elevades, lescalfament sigui suficientment lent perqu un sensor de temperatura no necessiti

unes condicions molt estrictes en la velocitat de resposta.

Fig. 5.1. Termistor per al sensat de la temperatura


5.2. Cabalmetre

El cabalmetre utilitzat per a la realitzaci del projecte s el V10981 de dRS. El principi de

funcionament daquest est basat en un tub amb una turbina Pelton en el seu interior. Quan un

fluid travessa la turbina, aquesta gira a una velocitat que s funci de la velocitat del flux

travessant. Acoblada a aquesta turbina hi ha un sensor defecte hall que envia un tren

dimpulsos amb un perode que s funci de la velocitat angular de la turbina a un transistor

que opera en collector obert. Els lmits alt i baix de mesura del dispositiu sn de 0.0416 l/s i 0.5

l/s respectivament. Com que el cabal mxim que sespera assolir est entre 0,2 l/s i 0,25 l/s es

treballa en un rang adequat per al control.

5.3. Vlvula proporcional

La vlvula proporcional que sutilitza per modificar el cabal final del sistema s la Type 2835 de

Brquert. Aquesta vlvula t un dimetre de i actua en funci dun tren de polsos. Segons el

duty cicle la vlvula obra o tanca el seu pas, i daquesta manera varia la prdua de crrega

deguda al fluid circulant pel seu interior, reduint o incrementant aix el cabal total del sistema.

Aquesta vlvula va alimentada a 24V DC i consumeix una potncia de 16W. Per simplificar la

feina del microcontrolador sha decidit acoblar-hi un adaptador -el Type 8605 de Brquert- per

poder governar la vlvula amb un senyal dentrada entre 0 i 10V. Aquest adaptador rep un

senyal analgic i envia a la vlvula un tren dimpulsos amb un duty cycle proporcional a aquest

senyal. De lanlisi de lapartat 4.1 sen deriva que la Kvs ha destar entre els valors 2 i 0,586

m3/h, per tant sha escollit la vlvula amb la Kvs de 0,8m3/h.

Fig. 5.2. Cabalmetre V10981 dRS


5.4. Vlvula mescladora

Per al control de la temperatura es necessita un sistema que mescli el flux daigua calenta i el

flux daigua freda. Per dur a terme aquesta tasca sutilitza una vlvula mescladora -la TAC

Venta V341 dSchneider Electric- amb un dimetre de i una Kvs de 4,0 m3/h. Aquesta

vlvula disposa de tres vies i tan bon punt es va tancant A-AB, es va obrint B-AB. La regulaci

de proporcions es realitza desplaant verticalment una pea que hi ha en la part superior. Per

automatitzar aquesta tasca sha dacoblar a la vlvula un actuador; en aquest cas sha escollit

el TAC Forta 310 dSchneider Electric. Lactuador s governat per un senyal analgic de 0 a

10V, i necessita una alimentaci de 24V AC amb una potncia de 30 VA. Aquest actuador

tamb disposa dun senyal de sortida per conixer la posici en temps real que pren valors

entre 2 i 10V.

Fig. 5.3. Vlvula proporcional i adaptador de senyal

Fig. 5.4. Vlvula mescladora de tres vies i actuador TAC Forta 310



6. Disseny de la PCB

Per la programaci del microcontrolador sutilitza una placa davaluaci de Texas Instruments

per al Concerto; aix doncs sha hagut de crear una placa secundria per lacondicionament

dels senyals dentrada i sortida i per subministrar lalimentaci de la placa principal.

6.1. Alimentaci

Lalimentaci principal de la placa ve donada per una font dalimentaci de 24V, ja que sn les

fonts ms comunes. A partir daquesta tensi sha daconseguir alimentar totes les parts de la

placa. A lhora de dissenyar la placa sha diferenciat entre alimentaci analgica i alimentaci

digital. La primera entre -15 i 15V alimenta letapa de conversi analgica-digital i un divisor

resistiu per a la mesura de temperatura. La segona, la part digital, entre 0 i 5V, i sutilitza per

alimentar tan la placa davaluaci com els perifrics que sutilitzen per donar ordres a les

vlvules.

Per tal dintentar evitar que el soroll de la part digital afecti a la part analgica, ms sensible i

amb freqncies de treball molt ms redudes, el senyal de terra analgic i el senyal de terra

digital estan separats en la placa davaluaci. La uni daquests dos nodes es realitza en el

microcontrolador, per tant en la placa secundria tamb es mant aquesta separaci. Aix es

pot diferenciar entre part analgica i part digital.

6.1.1. Alimentaci digital

La placa davaluaci salimenta a 5V. Els DACs i les referncies de tensi que sutilitzen en la

placa secundria tamb van alimentats a 5V. Daquesta manera sha decidit utilitzar una font

commutada R-78B5.0-1.0 de RECOM. Per aquest punt, que s un node de la malla on hi

conflueixen diferents dispositius i perifrics, sha decidit utilitzar un pla dalimentaci que est

confrontat amb el pla del terra digital, creant aix un condensador que serveix de filtre per a

possibles sorolls que puguin aparixer. Com a mesura de seguretat per a sobretensions

transities s'ha collocat un dode zener de 5,2V entre la sortida de 5V i el terra digital.


6.1.2. Alimentaci analgica

El microcontrolador no suporta una tensi superior a 3,3V i els lmits dentrada de les consignes

de les vlvules sn 0 i 10V, daquesta manera es necessita acondicionar els senyals sortints

per tal de realitzar un control correcte. Els amplificadors operacionals salimenten entre -15 i

15V, aix, tant la part dacondicionament dels ADCs com la dels DACs no perden rang de valors

en les proximitats dels lmits alt i baix (0 10V). El divisor resistiu utilitzat en la mesura de la

temperatura pren la seva alimentaci entre 0 i 15V. Per poder aconseguir aquesta alimentaci

sha escollit una font commutada amb allament galvnic la TMH 2415D de Traco Power .

Lalimentaci analgica ha de ser robusta i lliure doscillacions, per aquest motiu sha decidit

utilitzar un pla dalimentaci en el node +15V que s confrontat al pla de terra analgic per crear

un condensador que filtri els possibles sorolls que puguin aparixer.

Fig. 6.1. Alimentaci digital

Fig. 6.2. Alimentaci analgica i allament dels terres


6.1.3. Alimentaci de les vlvules

Les vlvules de control tamb van alimentades. La potncia i la presentaci de lenergia

elctrica que demanden s substancialment diferent a la de la placa. Per tant sha decidit

diferenciar lalimentaci de la placa i la de les vlvules, i aquestes van alimentades

exteriorment.

La vlvula proporcional t una potncia de 16W i necessita una tensi contnua de 24V. Aix la

font utilitzada per alimentar la placa s adequada per a alimentar tamb la vlvula.

La vlvula mescladora en canvi, necessita una tensi de 24V de corrent alterna a 50Hz i t un

consum de 6VA, aix doncs sha escollit un transformador monofsic amb una relaci de

transformaci 230V/24V, el Flachtransformator FL 30/24 de la marca Block que va directament

connectat a la xarxa elctrica.

6.2. Circuit per a la mesura del cabal

El senyal de sortida del cabalmetre s un tren dimpulsos. Aquest t una sortida en collector

obert, per tant en la PCB sha hagut de collocar una resistncia de pull up per poder llegir

aquesta mesura amb una de les ECAP de les que disposa el microcontrolador. La referncia de

tensi que necessita el Concerto per poder detectar els impulsos s de 3,3V, s per aquest

motiu que sha hagut dincorporar una font de tensi amb entrada 5V i sortida 3,3V i posar una

resistncia de 10K entre la sortida de la font i lentrada de lECAP.

Fig. 6.3. Referncia de tensi per a la resistncia de pull up


6.3. Circuit per la mesura de temperatura

Laparell que es fa servir per mesurar la temperatura s un termistor. Aquest tipus de dispositiu

varia la seva resistncia en funci de la temperatura, per tant es necessita dissenyar un circuit

per poder aprofitar aquesta variaci de resistncia i convertir-la en una variaci de tensi.

Per fer-ho possible, sha dissenyat un circuit basat en un pont de Wheastone. Aquesta

configuraci permet mesurar la variaci duna resistncia a partir dun punt de referncia.

Com es pot veure a la figura, la tensi que hi ha entre els dos punts del voltmetre s funci de

les resistncies i segueix la segent equaci:

Eq. 6.1

Com es pot deduir de lequaci anterior la tensi de sortida no s directament proporcional a la

resistncia Rs. La temperatura tampoc t una relaci proporcional amb la resistncia del

termistor, aix doncs sha analitzat quina relaci t la tensi de sortida amb la temperatura.

Per dur a terme aquest anlisi sha estudiat quina resistncia t el termistor en el tram de

temperatures entre 0 a 60 C, tenint en compte que la dutxa no ha de treballar mai en una

temperatura fora daquest rang.

De lanlisi dut a terme sen deriva la segent funci, per una aproximaci amb un polinomi de

tercer grau:

Eq. 6.2

Fig. 6.4. Pont de Wheastone


Per decidir quina R3 sha descollir sha analitzat la funci:

Eq. 6.3

Ja que la segona part de lexpressi Eq. 6.1 s constant, la linealitat no es veu afectada per les

resistncies R1 i R2. Per aquest motiu aquestes shan escollit per dur a 0, en referncia al terra

analgic, la tensi de sortida en el cas lmit.

Lanlisi ha consistit en una batuda de R3 amb valors de resistncies normalitzats i una

simulaci entre 0 i 60 C.

Grficament sha decidit que el millor cas per a R3 s de 1200. El rang de temperatures que

sutilitza per al control est entre els 20 i els 50C. Com es pot veure a la imatge la corba que t

una pendent ms constant en aquest tram s la que correspon a la resistncia de1200 . Amb

aquesta configuraci la tensi en el node positiu de quan la temperatura s 60C t un valor

de 4,685V, per tant, partint daquesta base les resistncies R1 i R2 shan escollit de tal manera

que la tensi en el node negatiu de sigui tamb 4,685V. De les condicions anteriors i de

lequaci Eq. 6.1 sen dedueix que la relaci entre R1 i R2 ha de ser . Buscant

en les resistncies normalitzades sha escollit R1= 150K i R2 = 68K.

6.4. Convertidors Analgic-Digital

El microprocessador t una srie dentrades analgiques de les quals se nutilitzen dues. La

primera entrada rep el senyal de la posici de la vlvula mescladora per, posteriorment,

Fig. 6.5. Tensi del node positiu del voltmetre en funci de la temperatura del sensor


realitzar anlisi sobre la resposta temporal daquesta a les ordres des de la placa de control. La

segona entrada es fa servir per llegir la temperatura de laigua que s funci de la tensi de

sortida del divisor resistiu.

6.4.1. Acondicionament del ADC0

El senyal indicador de la posici de la vlvula mescladora t uns lmits superior i inferior de 0 i

10V respectivament. Com que les etapes de conversi analgica-digital del microcontrolador

tenen uns rangs de mesura entre 0 i 3,3V, es necessita una etapa dacondicionament de

senyal. Aquesta etapa es realitza amb un amplificador operacional connectat en topologia de

restador inversor.

Aquesta topologia respon a una relaci entrades sortides segons lequaci:

Eq. 6.4

Si es pren la tensi de sortida s la diferncia de les entrades multiplicada

per un factor que depn de la relaci de resistncies:

Eq. 6.5

I si el senyal V1 es connecta a terra, la sortida Vout s proporcional al senyal V2. Llavors si

sescullen les resistncies adients es pot acondicionar el senyal per al microcontrolador.

En tant que la relaci entre la sortida mxima de la vlvula i lentrada mxima del

microcontrolador s 10/3.3, les resistncies escollides han de mantenir la mateixa relaci i

shan escollit:

Fig. 6.6. Amplificador operacional en topologia de restador inversor


Lamplificador operacional que sha escollit s un LM258DRG3 de Texas Instruments. A la

sortida del circuit restador sha acoblat un filtre RC per filtrar els possibles sorolls que es

poguessin induir. Tamb com a mesura de protecci shan collocat dos dodes, un entre la

sortida i la referncia de 3,3V i laltre entre la sortida i la referncia de terra. Aquests dodes

serveixen per protegir el microcontrolador contra possibles sobre o subtensions que posarien

en risc la integritat daquest.

6.4.2. Acondicionament del ADC1

Com que el microcontrolador t els lmits abans mencionats, s necessari que la tensi en

lentrada analgica quan la temperatura sigui la mxima no descendeixi per sota dels 0V, i quan

la temperatura sigui la mnima no superi els 3,3V.

Letapa de conversi analgica-digital per, necessita que la tensi estigui referenciada al terra

de la placa; aix s necessria una etapa dacondicionament per poder fer la mesura de la

temperatura. Aquesta etapa simplementa amb un amplificador en configuraci de restador

inversor com en lapartat anterior (Fig. 6.6).

Si es connectessin els nodes positiu i negatiu corresponents a la sortida del pont de Wheaston

(figura Fig. 6.4) a les entrades V2 i V1 del restador inversor (Fig. 6.6), la tensi resultant no

seguiria lequaci Eq. 6.1 ja que es crearien unes connexions en parallel, les quals no shan

tingut en compte; per tant abans del restador inversor es necessita allar els dos circuits. Per

Fig. 6.7. Circuit dacondicionament del senyal de posici de la vlvula mescladora


dur a terme aquesta tasca sutilitzen dos amplificadors operacionals en configuraci de

seguidor de tensi.

Amb aquesta topologia la tensi dentrada i la tensi de sortida sn la mateixa, per com que

lentrada s en alta impedncia, el problema abans mencionat ja est solucionat. Aix les

sortides dels ponts de Wheaston es connecten a dos seguidors de tensi, i les sortides

daquest seguidors a les entrades dun restador inversor.

Com es pot veure a la illustraci anterior, a la sortida del restador inversor shi ha collocat un

filtre RC i les proteccions contra sobre i subtensions, com en lapartat anterior.

Com que la resistncia de sensat en el pont de Wheaston pot ser desconnectada, hi ha el perill

de que lentrada de lamplificador operacional quedi a laire i la sortida del restador inversor

Fig. 6.8. Amplificador operacional en topologia de seguidor de tensi

Fig. 6.9. Circuit dacondicionament del senyal de la temperatura


saturi. En aquest cas la sortida de lamplificador tindria un valor prxim als 15V molt superior als

nivells mxims de tensi per al microcontrolador. Per a protegir-lo daquest perill sha collocat

un dode Zener de 3,6V en antiparallel entre lentrada ADC del microcontrolador i el terra

analgic del sistema.

De lapartat 6.3 se sap que la tensi de sortida quan la temperatura s de 0C correspon a

7,247V. Com que es pren 0C com a lmit inferior per a la temperatura, sha dacondicionar el

senyal en aquest punt a 3,3V. Si es pren lequaci Eq. 6.5 es dedueix que la relaci entre les

resistncies R3/R1 ha de ser 3,3/7,247. Buscant en les resistncies normalitzades shan escollit

R1= 15K i R3 = 68K.

6.5. Convertidor Digital-Analgic

El microprocessador no disposa de cap convertidor digital-analgic, s per aquest motiu que

sha decidit utilitzar un perifric al qual se lhi envien ordres mitjanant SPI. Aquest dispositiu s

un DAC de 10 bits i dos canals TLV5671AID de Texas Instruments. Els senyals de sortida del

DAC sutilitzen per donar ordres a les vlvules proporcional i mescladora en funci de les

consignes de cabal i temperatura i el valor actual daquestes variables.

6.5.1. Acondicionament dels DACs

El convertidor proporciona una tensi de sortida dentre 0 i 2Vref. La tensi de referncia t uns

lmits mxim i mnim de 0 i Vdd 1,5 V i com que el DAC est alimentat a 5V sha decidit utilitzar

una Vref de 2V.

Les vlvules proporcional i mescladora reben ordres dun senyal analgic dentre 0 i 10V,

daquesta manera s necessria una etapa damplificaci del senyal que es duu a terme amb

un amplificador operacional en configuraci de restador inversor com el de la Fig. 6.6.

La relaci entre les tensions dentrada i sortida segueixen lequaci Eq. 6.4 i si, com en el cas

dels ADC es connecta V1 a terra, es pot escollir les resistncies adients per acondicionar el

senyal per a les vlvules.

En tant que la relaci entre la sortida mxima del DAC i lentrada mxima de les vlvules s

2/10, les resistncies escollides han de mantenir la mateixa relaci i shan escollit per a les

dues etapes dacondicionament:

:


6.5.2. Referncia de tensi

La tensi de sortida del DAC depn en gran mesura de la tensi de referncia que li sigui

proporcionada, per tant si es vol una sortida sense oscillacions indesitjades i amb un alt grau

de precisi es necessita una referncia robusta i estable.

La referncia utilitzada per al DAC t una precisi del 0,2%, la REF3020 de Texas Instruments,

la qual va alimentada a 5V i disposa duna sortida de 2.048V.

A lentrada i sortida de la referncia shi ha collocat uns condensadors per filtrar els possibles

sorolls que poguessin aparixer.

Fig. 6.10. Esquema del DAC extern i etapa dacondicionament de la sortida

Fig. 6.11. Referncia de tensi per al DAC


7. Components del sistema

7.1. Microcontrolador Concerto

El Concerto s un microcontrolador de Texas Instruments que consta de dos nuclis: lARM i el

C28. Aquests dos nuclis estan dissenyats per gestionar comunicacions i per gestionar controls

en temps real respectivament.

7.1.1. Nucli ARM

El nucli ARM sencarrega de gestionar les comunicacions entre el microcontrolador i lexterior.

Tamb sencarrega de donar permisos dutilitzaci dels pins al nucli C28, i dintercanviar

informaci amb aquest ja sigui per transferir-li informaci que ve de fora del microcontrolador o

per transmetre a lexterior informaci recopilada pel C28.

Les principals funcions de lARM sn allotjar una pgina web que actua com a interfcie home-

mquina i gestionar un servidor TCP-IP per enviar totes les dades dhistorials a un PC-

embeded.

7.1.2. Nucli C28

El nucli C28 sencarrega de dur a terme el control del sistema, llegeix les dades de cabal i

temperatura i calcula mitjanant un algoritme quines ordres ha de donar a les vlvules. Tamb

envia totes les lectures preses a lARM perqu aquest pugui transmetre-les al PC-embeded.

Fig. 7.1. Microcontrolador Concerto (Texas Instruments)


7.2. PC-embeded

El PC-embeded s un dispositiu basat en el processador Sitara de Texas instruments. Sobre

aquest processador corre un sistema operatiu Linux (Linux Kernel 3.2). Lempresa distribudora

s Emtrion embeded sistems.

7.2.1. Hardware

Aquest dispositiu es pot dividir en dues parts ben diferenciades: una s el mdul del

processador, on shi troba el processador, i laltra s la placa base on shi troben tots els

perifrics.

7.2.1.1. Mdul del Processador (SODIMM Module DIMM-AM335x)

Aquest mdul sencarrega dallotjar el processador, una memria SDRAM, i una memria

Flash, a ms a ms de diversos controladors per estndards de comunicacions per a perifrics.

Totes aquestes entrades sortides van dirigides a un entramat de pins en configuraci DIMM.

Aquesta placa s el cor del sistema embeded, per necessita duna srie de perifrics per

poder ser utilitzada, s per aquest motiu que va muntada sobre la placa base.

Llistat de components allotjats en el mdul del processador:

SDRAM de 512 MB

Controlador pera la NAND Flash

NAND Flash de 512 MB

NOR Flash de 8MB

Interfcie per a lEthenet (PHY)

Controlador per al RS232

Fig. 7.2. Mdul del Processador SODIMM Module DIMM-AM335x

http://www.emtrion.com/dimm_am335_en.phphttp://www.emtrion.com/dimm_am335_en.php


Mdul de rellotge en temps real

Gestor de potncia

7.2.1.2. Placa Base (DIMM-Base Verno)

La placa base cont un conjunt delements que sencarreguen de dur a terme totes les funcions

bsiques que el mdul del processador li envia a travs del DIMM. Bsicament cont els

connectors en format estandarditzat per les comunicacions entre el processador i lexterior, la

presa per lalimentaci i la interfcie per la pantalla TFT LCD.

Llistat de components allotjats la placa base:

Connector RJ45 per a 100Base-TX Ethernet

Connector USB-A

Connector USB-B

Port per a micro SD

Sortida dudio jack 3.5 mm

Dos connectors de bus CAN

Interfcie per la pantalla TFT LCD

Connector DB9 per a RS232

Entrada analgica

Connector per a SPI, IC i entrades digitals

Connector per a lalimentaci

Fig. 7.3. Placa Base. DIMM-Base Verno


7.2.2. Software

El desenvolupament daplicacions per a sistemes embeded no s una tasca fcil, per aix

Emtrion ofereix amb la venta del producte una mquina virtual basada en la distribuci de Linux

Ubuntu que cont una srie deines per facilitar la creaci daplicacions.

Entre els elements ms importants de la mquina virtual shi pot trobar la plataforma de

desenvolupament Eclipse per a la programaci daplicacions, un servidor TFTP per a la

descrrega del sistema darxius i un servidor NFS que sutilitza per al desenvolupament

daplicacions sense transferir-les al dispositiu embeded.

La mquina virtual tamb cont dos paquets per facilitar el desenvolupament daplicacions

duna forma ms senzilla. Aquests sn el SDK i el BSP.

7.2.2.1. Paquet de suport per a la plataforma (BSP)

El Paquet de suport per a la plataforma cont un sistema darxius base (root file sistem) tpic

del sistema operatiu Linux, aix com les llibreries per al DIMM-AM335x i una srie deines per a

la compilaci creuada.

La compilaci creuada es basa en desenvolupar i compilar aplicacions en una plataforma que

no s la que finalment les executar. Aquesta tcnica allibera memria als sistemes embeded

ja que no han de contenir les llibreries esttiques, compiladors, i entorn de programaci, i

permet que aquests necessitin unes prestacions molt menys exigents.

Fig. 7.4. Esquema dels components de la mquina virtual


Lesquema de la figura Fig. 7.5 mostra els principals elements del BSP.

El BSP cont dos sistemes darxius, el RootFS i el RootFS-Dev. El primer s el sistema darxius

que ser descarregat al sistema embeded, i cont noms els principals elements per a

lexecuci del sistema operatiu Linux i les aplicacions finals. El segon, el RootFS-Dev, cont les

llibreries necessries per a la compilaci de les aplicacions que finalment aniran al RootFS, aix

com les capaleres i eines per al desenvolupament de llibreries.

Fig. 7.5. Esquema dels components del BSP

Fig. 7.6. Diagrama doperaci per al desenvolupament de programes


7.2.2.2. Equip de desenvolupament de programari (SDK)

Lequip de desenvolupament de programari s un conjunt de scripts i arxius de configuraci per

poder realitzar algunes tasques necessries per al desenvolupament daplicacions. Entre les

tasques ms importants hi ha:

- Descomprimir i installar el BSP abans mencionat.

- Activar un entorn especfic (BSP) en la maquina virtual.

- Realitzar la compilaci creuada i afegir lexecutable al RootFS.

- Crear la imatge per descarregar a la plataforma.

- Compartir el Root file System a traves de la xarxa.


8. Programaci dels elements

Per al correcte funcionament del sistema de gesti de laigua shan programat els tres elements

mencionats anteriorment: ARM, C28 i PC-embeded, perqu cada un realitzi les funcions

pertinents. En aquest apartat sexplica de manera qualitativa quins han estat els principals

problemes a lhora de realitzar la programaci aix com les solucions i els programes finals

escollits. Per a ms detall es pot referir a lAnnex 3 on shi troben els codis principals dels

programes.

8.1. Sistema operatiu RTOS-TI

El sistema operatiu RTOS-TI s un sistema operatiu per aplicacions en temps real que facilita la

gesti de moltes funcionalitats del microcontrolador. Es disposa de dues versions depenent de

si es programa el nucli ARM o el nucli C28. Lentorn de programaci Code Composer disposa

dun plugin per facilitar la programaci. Entre les operacions ms importants del SO shi troben:

la gesti de tasques, la gesti de la comunicaci TCP-IP, la gesti del servidor WEB, la gesti

de la comunicaci entre nuclis i la gesti del sistema darrencada. Sutilitza en ambds nuclis.

8.2. Programaci del ARM

LARM sencarrega de gestionar les comunicacions del sistema, incorpora un servidor Web, un

servidor TCP-IP i gestiona la comunicaci entre el C28 i lexterior.

8.2.1. Servidor Web

Per a la interfcie home-mquina sha utilitzat una pgina web. Aquesta pgina web est

allotjada en un servidor que es gestiona des del nucli ARM del microcontrolador.

A la web es poden introduir les consignes de cabal i temperatura que posteriorment sn

enviades a lARM. Per a fer efectiu el canvi de consignes, sha introdut un polsador

(Sincronitza) que en ser activat fa que lARM envi les variables al segon nucli C28; en rebre

aquestes dades el control comena a calcular el senyal de sortida en funci dels nous valors.


8.2.2. Servidor TCP-IP i comunicaci entre nuclis

La comunicaci entre nuclis i la connexi TCP-IP amb lexterior estan ntimament lligades. Les

dades que es volen exportar sn les dades del control, ja siguin consignes, lectures, errors,

senyals, etc. Ja que el control s realitzat pel C28, les dades estan en la seva memria

dedicada i necessiten passar a lARM per a ser exportades.

C28 ARM

buffer

Envia lectures 3

Embeded (Client)

Enviam

Enviam

Envia lectures 2

Envia lectures 1

Enviam

Enviam

connectat

connecta

Crea socket

Escolta

Fig. 8.1. Pgina web interfcie home-mquina

Fig. 8.2. Diagrama doperaci de comunicacions


La figura Fig. 4.3 mostra loperaci del bucle de comunicacions. El servidor TCP-IP crea un

socket i el posa a escoltar per si arriben connexions entrants. En rebre la petici dun client

activa la connexi entre lARM i el C28 i activa el bucle de comunicacions: llegeix un missatge

del C28, el colloca en un buffer i posteriorment avisa al C28 que ja est preparat per a rebre un

altre missatge. Quan el buffer s ple, lARM lenvia a travs de la connexi que sha creat amb

el client perqu aquest gestioni les dades per al posterior anlisi.

8.3. Programaci del PC-embeded

El PC-embeded actua com a client TCP-IP; el programa crea un arxiu CSV i envia una petici

de connexi, en rebre la confirmaci comena a llegir el buffer amb les variables que li va

enviant lARM. Les dades que rep es troben en diferents formats i shan de gestionar per a

posteriorment collocar-les a larxiu CSV en format text. Amb aquest arxiu shan creat les

grfiques per millorar el control i comprovar la resposta dinmica i lerror, per en una aplicaci

final serviria per gestionar els historials i poder prendre decisions a partir de les dades de

consum.

8.4. Programaci del C28

Com sha comentat anteriorment el C28 sencarrega del control. El control est dividit en dues

parts: la primera consisteix en el control de cabal i la segona en el control de temperatura. Per

poder realitzar aquest control primer sha hagut de configurar les lectures dels ADC, de lECAP,

i configurar lSPI per a enviar les ordres al DAC.

8.4.1. Lectures ADC i ECAP

Sutilitzen dos canals del ADC, ADC0 i ADC1 per llegir la temperatura i la posici de la vlvula

mescladora respectivament. Els ADCs estan configurats per comenar la conversi cada 5ms.

LECAP s actualitzat en rebre dos polsos i per tant el temps dactualitzaci depn de la

freqncia del tren de polsos que arriba.

8.4.2. Ordres SPI i DAC

Per enviar ordres a les vlvules sutilitza un DAC de dos canals que sactualitza mitjanant SPI.

En cada cicle el microcontrolador llegeix el cabal i la temperatura, aplica lalgoritme de control i

envia la informaci al DAC. El DAC t uns registres de 16 bits i se li envia una trama


amb 4 bits de configuraci (D15-D14), 10 bits per al valor del DAC (D11-D3) i 2 bits finals

(D1-D0) que estan en tot moment a nivell baix.

Els bits de configuraci indiquen el comportament del DAC en rebre la trama SPI. El bit SPD

determina si sutilitza el mode rpid o el mode lent, el bit PWR serveix per encendre i apagar el

DAC i els bits R1 i R0 serveixen per escollir el mode de funcionament tal i com indica la taula

segent:

R1 R0 Registre

0 0 Escriure dades al DAC B i al buffer

0 1 Escriure dades al buffer

1 0 Escriure dades al DAC A i carregar el DAC B amb el buffer

1 1 Reservat

Sha escollit un funcionament per actualitzar els dos canals a la vegada: primer sactualitza el

buffer i desprs sescriuen les dades al DAC A i es carrega el DAC B amb el buffer.

8.4.3. Control del cabal

El control del cabal el realitza la vlvula proporcional amb lajuda del cabalmetre per la presa

de mesures. En un principi sha ideat per gestionar el control amb un controlador PI

convencional, per el funcionament de la vlvula fa que el comportament no sigui lidoni. Per

motius de seguretat, la vlvula es tanca instantniament si la consigna no supera un nivell de

tensi llindar. Aquest fet lligat amb el sobrepic produt amb el controlador PI fa que la vlvula

sobri i es tanqui en instants no desitjats.

Per sortejar aquest problema per seguir tenint una configuraci semblant a la del controlador

PI, sha decidit utilitzar la mateixa estructura del controlador PI sumada a una constant que

correspon a la meitat del senyal a enviar, aix saconsegueix evitar aquest problema i mantenir

una resposta idntica a un controlador PI.

Fig. 8.3. Trama per a la configuraci del DAC

Fig. 8.4. Taula de combinacions per a lactualitzaci del SPI


G(s)PI

Cnt

CONSIGNA+

-

++ SORTIDA

saturaci

8.4.3.1. Anti-Windup i Saturaci

Un problema de la part integradora del controlador PI s que si lerror no saconsegueix fer 0

per algun motiu, aquesta creix indefinidament podent comportar situacions perilloses degut a

sortides extremadament elevades o canvis extremadament bruscos en la sortida. Per aquest

motiu sintrodueix Anti-Windup que no deixa crixer la part integral de lerror a partir dun valor

establert.

Els lmits shan escollit de tal manera que el control sigui capa darribar als dos lmits de la

vlvula amb error estacionari 0.

Eq. 8.1

Eq. 8.2

La saturaci, per altra banda, sintrodueix per a no superar els lmits lgics del DAC i tenir

problemes amb lenviament de dades per culpa de la representaci binria de les dades.

Per a lenviament de dades al DAC sutilitza una estructura amb la segent configuraci:

struct SPI_BITS { Uint16 D1D0 :2; Uint16 data :10; Uint16 conf :4; };

Com es pot comprovar, les dades (data) sn 10 bits als quals sels hi assigna el valor de la

sortida del controlador, aix doncs en el cas que supers 1023 el valor que rebria el DAC seria

erroni i el sistema no tindria el comportament desitjat.

Fig. 8.5. Esquema del control


En aquest cas sha forat que si la sortida del controlador sobrepassa -superior o inferiorment-

qualsevol dels lmits el valor enviat al DAC ser el seu lmit superior o inferior respectivament.

8.4.3.2. Sintonitzaci del les constants del PI

Lanlisi i la modelitzaci matemtica de la planta sn molt complicades. El comportament de la

vlvula proporcional no est modelitzat i lanlisi de la resposta transitria dels fluids a lobertura

duna vlvula s un exercici de difcil resoluci per a la mecnica de fluids. Per aquest motiu la

sintonitzaci dels valors del controlador PI sha realitzat seguint un mtode heurstic.

En una primera instncia sha intentat dur a terme el mtode Ziegler-Nichols en lla tancat, per

la sortida no ha presentat unes oscillacions clares i amb un perode establert per cap KP degut

al comportament de la vlvula i al seu lmit superior. Per tant sha procedit a utilitzar el mtode

prova i error.

Per realitzar el mtode prova i error sha comenat per anar augmentant la KP des de zero

buscant un comportament indesitjat degut al comportament de tancament abans mencionat.

Aquest comportament sha trobat amb una constant proporcional de 6000.

Posteriorment sha redut aquesta constant proporcional fins a 5000 i sha anat incrementant la

constant integradora fins que lerror estacionari sha redut en un temps raonable i sense un

sobrepic excessiu. La primera prova sha realitzat amb una KI de 5.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0 20 40 60 80

Cab

al (

l/s)

Temps (s)

Cabal amb KP 5000 i KI 5

Cabal

Consigna

Fig. 8.6. Resposta temporal del cabal 1


Com es pot veure en la Fig. 8.6 la resposta temporal no s el suficientment rpida i sha

procedit a incrementar la KI fins a 10.

Aquest procs sha repetit amb un valor de Ki = 15.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

10 20 30 40 50

Cab

al (

l/s)

Temps (s)

Cabal amb KP 5000 i KI 10

Cabal

consigna

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

10 20 30 40 50

Cab

al (

l/s)

Temps (s)

CAbal KP 5000 i KI 15

Cabal

Consigna




La resposta amb KI =15 encara no s lptima i sha prosseguit amb lincrement de KI fins a 20.

La resposta dinmica amb un KI de 20 s suficientment rpida per presenta un problema a

lhora de tancar: sobra i es tanca repetides vegades abans dacabar tancant-se completament.

Aquest fet sha atribut a una constant proporcional molt elevada, i sha procedit a reduir-la a la

meitat.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

40 50 60 70 80 90

Cab

al (

l/s)

temps (s)

Cabal KP 5000 KI 20

Cabal

Consigna

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

25 35 45 55 65 75

Cab

al (

l/s)

Temps (s)

Cabal KP 2500 i KI 20

Cabal

Consigna




Amb aquesta configuraci sobt tamb una resposta suficientment rpida. A lhora de tancar

per, apareix un problema quan es tanca des de cabals per sobre de 0.06 l/s; en aquests casos

el tancament sobtat de la vlvula proporcional per culpa dun senyal de comandament per sota

del llindar mnim provoca un cop dariet indesitjat.

Per millorar aquesta situaci sense perdre velocitat en altres respostes sha procedit a crear un

algoritme per als casos en que es desitja finalitzar la dutxa. Lalgoritme es basa en una reducci

de la constant integradora quan el cabal s superior a 0,06l/s a un valor de 6 per als casos en

que la consigna final s 0.

Aquesta modificaci elimina el cop dariet per presenta un problema: la disminuci no

suficientment rpida de la consigna fa que la vlvula proporcional deixi passar un cabal tan petit

que el cabalmetre no s capa de detectar abans de tancar, fet que provoca que el sistema

cregui que ja est tancat i no acabi de tancar-se totalment.

Per fer desaparixer aquest efecte sha buscat un cabal per al qual un tancament brusc de la

vlvula proporcional no desencadeni un cop dariet i sha ajustat que lordre a la vlvula per

valors inferiors a aquest sigui zero si la consigna s zero.

Aquesta modificaci final soluciona tots els problemes. Amb aquest algoritme el funcionament

del control de cabal ja s ladequat i shan anat fent petites modificacions al valors de KP i KI

fins arribar a una soluci considerada ptima amb uns valors de .

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

15 35 55 75 95

Cab

al (

l/s)

Temps (s)

Soluci Final Cabal

Cabal

Consigna

Fig. 8.11. Resposta temporal del cabal soluci final


8.4.4. Control de la temperatura

Per al control de la temperatura shan realitzat diverses proves. En un primer moment sha

intentat realitzar el control amb un controlador PID, per no shan pogut ajustar els valors de les

constants perqu la resposta sigui adequada per a una dutxa domstica. El funcionament de la

vlvula i la lentitud de resposta del termistor fan que un controlador PID no sigui adequat per

aquest sistema. Finalment, i a petici del director del projecte, sha decidit fer un control en lla

obert dividint el tram de recorregut de la vlvula proporcional en vint trams equidistants que

lusuari podr escollir com a vint nivells de temperatura.

En aquesta secci sexplica quin procediment sha seguit a lhora dajustar el PID i quins han

estat els resultats, aix com quina ha estat la versi final del control.

8.4.4.1. Controlador PID

Per al control de temperatura sha intentat realitzar el mtode Ziegler-Nichols en lla tancat,

per degut al comportament de la vlvula mescladora i al retard que introdueix el termistor, les

oscillacions sn mantingudes per molts rangs de Kp i, per tant, sha procedit a realitzar lajust

manual del controlador PID mitjanant el mtode de prova i error.

Desprs de moltes proves sha determinat que amb un controlador PID no s possible controlar

aquesta planta de manera eficient; la velocitat de la vlvula mescladora s constant per a

qualsevol posici i consigna, s a dir, la velocitat de la vlvula davant de consignes

determinades no varia en funci de lerror de posici daquesta i, per aquest motiu, un

controlador PID no introdueix cap millora sensible a la resposta dinmica.

En un primer instant sha intentar implementar un control PI. El principal problema del control PI

roman en que per a errors grans la part integral fa crixer la sortida del control fins al lmit de

saturaci i la temperatura no creix duna forma evident fins que la vlvula mescladora arriba

gaireb al lmit superior o inferior. Aquest fet sumat al retrs del termistor introdueix un retard a

la planta que fa impossible el control amb el PI i apareixen sobrepics inacceptables.

Sha redut la part integral fins a un nivell en que la velocitat de la vlvula supers la velocitat de

creixement de la part integral per intentar eliminar el sobrepic. En aquest cas a part dobtenir

una resposta dinmica molt lenta, el retrs del termistor fa que hi hagi oscillacions duns dos

graus.

Per salvar aquest problema sha introdut una part derivativa convertint el controlador en un

PID. La missi daquesta part derivativa consisteix en que quan la temperatura sapropa a la


consigna determinada, lerror disminueix i per tant la sortida del controlador tamb. Aquesta

estratgia redueix els sobrepics per les oscillacions continuen existint.

Aquest procs sha anat repetint diverses vegades combinant augments i disminucions de les

diferents constants de controlador, per ni buscant una resposta inacceptablement lenta sha

obtingut un resultat satisfactori.

Posteriorment sha pensat en utilitzar una estratgia de control basada en un predictor dSmith.

Aquest tipus de controlador pretn separar la planta i el retrs i permet utilitzar mtodes de

control com PIDs per a sistemes amb retrs. Un inconvenient en aquest cas s la modelitzaci

de la planta. El fet que el retrs depengui del cabal daigua calenta i de la temperatura

daquesta, dificulta notablement la realitzaci dun predictor Smith. Per aquest motiu sha decidit

utilitzar la divisi en vint nivells tenint en compte que lexactitud de la temperatura no s un

factor crtic en una dutxa convencional.

8.4.4.2. Divisi en vint nivells

La divisi en vint nivells de temperatura converteix la part mescladora en un regulador manual

en que lusuari decideix si augmentar o disminuir la temperatura, per sense conixer-la

exactament. El que sha intentat optimitzar en aquest cas s el temps que triga la temperatura

de laigua de sortida a assolir el nivell establert.

En una installaci domstica tpica, laigua calenta sescalfa en una caldera i posteriorment es

barreja a laixeta amb laigua feda per obtenir-ne una mescla a la temperatura desitjada. Un

dels problemes daquests tipus dinstallacions s que en tancar laixeta, el tub daigua calenta

queda ple i desprs dun cert temps aquesta aigua es refreda; per tant en tornar a obrir laixeta

es necessita que aquesta aigua romanent es buidi perqu laigua escalfada a la caldera arribi a

la mescla. El segon problema s que el circuit tamb est fred i sha descalfar prviament per

qu laigua a la sortida estigui calenta.

Lnica manera daconseguir-ho s obrir laigua calenta, esperar que es buidi el tub, i que

laigua escalfada a la caldera escalfi el circuit de canonades. Perqu aquest procs sigui el ms

rpid possible, mentre la temperatura de la sortida no mostri un clar smptoma daugment

laigua calenta estar totalment oberta.

Mitjanant un procediment experimental sha dissenyat un algorisme que determina quin s el

lincrement de temperatura ptim en funci del nivell escollit.


Amb el procediment experimental sha determinat que sobri al mxim laigua calenta sempre

que la temperatura no superi els 20C ms un factor multiplicat pel nivell escollit. A partir duna

srie de proves partint del sistema en reps, s a dir, amb les canonades plenes daigua freda,

sha trobat que el valor ptim per a aquest factor s de 0,65.

En la figura Fig. 8.12 es mostra la resposta temporal de la temperatura amb lalgorisme abans

mencionat. Es pot comprovar que en els primers instants la temperatura pateix una lleugera

disminuci degut a que laigua dels tubs interiors de la paret est ms freda que la que roman

en el sistema exterior. A partir daquest moment es mant constant fins que tota laigua que hi

ha a linterior de la canonada calenta es buida i laigua escalfada a la caldera arriba a la mescla

(instant 40 s). En aquest punt la temperatura comena a crixer fins a assolir una temperatura

estable de 35C. El retrs de la resposta es duns 15s, i tarda uns 45s en arribar a lestat

estacionari. La prova sha fet amb un cabal de 0,03l/s.

En la figura Fig. 8.13 es mostra la resposta temporal de la temperatura sense aplicar

lalgorisme abans mencionat. Es pot comprovar que el retrs s duns 20s, 5 segons ms que

amb lalgorisme. El transitori dura 60s fins a arribar a lestat estacionari, 15 segons ms que

amb lalgorisme anterior.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 40 60 80 100 120

Niv

ell

esc

olli

t

Tem

pe

ratu

ra (

C)

Temps (s)

Resposta temporal de la temperatura

Temperatura

Nivell

Fig. 8.12. Resposta temporal de la temperatura optimitzada (Nivell 16 i cabal 0,03l/s)


Les figures Fig. 8.14 i Fig. 8.15 mostren un anlisi semblant a lanterior per al nivell 12 i amb un

cabal de 0,05 l/s. En aquest cas es pot comprovar com el retrs s duns 12s en el cas en que

no est optimitzat i duns 10s en el que s que ho est, per la diferncia ms notable roman en

el fet que lestat estacionari s assolit en 30s per al primer cas i en uns 15s en el segon cas.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 40 60 80 100 120

Niv

ell

esc

olli

t

Tem

pe

ratu

ra (

C)

Temps (s)

Resposta temporal de la temperatura

Temperatura

Nivell

0

2

4

6

8

10

12

14

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

Niv

ell

esc

olli

t

Tem

pe

ratu

ra (

C)

Temps (s)

Resposta temporal dela temperatura

Temperatura

Nivell

Fig. 8.13. Resposta temporal de la temperatura sense optimitzar (Nivell 16 i cabal 0,03 l/s)

Fig. 8.14. Resposta temporal de la temperatura sense optimitzar (Nivell 12 i cabal 0,05l/s)


En la figura anterior es pot observar un lleuger sobrepic abans darribar a lestat estacionari.

Aquest fet s degut a que lactuador no s suficientment rpid per tornar a la posici que

correspon al nivell escollit abans que la temperatura superi el nivell de lestat estacionari.

El comproms entre el sobrepic i la velocitat de resposta del sistema ve marcat pel factor de

lalgorisme doptimitzaci. La decisi de que el factor ptim per lalgorisme doptimitzaci sigui

0,65 ha estat motivada perqu el sobrepic per al nivell 12 -on aquest s mxim en termes

absoluts- no superi 1C.

El tram de canonada que hi ha desprs del sensor de temperatura actua com a filtre i, per tant,

en la sortida no es reflexa un sobrepic tan accentuat. Aquest sobrepic ha estat impossible de

detectar mitjanant la comprovaci al tacte.

En les figures Fig. 9.16. i Fig. 9.17. es mostren dues simulacions de funcionament amb les

mateixes consignes de temperatura. Com es pot comprovar la temperatura de cada nivell no s

la mateixa per a les dues figures, i la diferncia en el cas ms extrem (Nivell 15) s de 1,5 C.

Aquest comportament indica que la repetivitat del sistema no s lptima.

La diferncia de temperatura per al mateix nivell en instants diferents s deguda a les

condicions atmosfriques i al nivell descalfament de laigua calenta. En el cas de la Universitat

la variabilitat de la temperatura

resum - core · microcontrolador per a fer possible la gestió automàtica de l‟aigua i la...

Documents