Autores: Arellano Miguel, Ramos Tomas, Rondón Hermes, Speranza Armando / Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES).FIIIDT.
Resumen
La generación de la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de las plantas de tratamiento de agua de ríos desarrolladas por el Instituto de Ingeniería e instaladas en el bajo Delta (Edo. Delta Amacuro) proviene de sistemas fotovoltaicos.
Estos sistemas requieren de inspección, mantenimiento preventivo, correctivo y predictivo, para facilitar el diagnóstico es imprescindible el uso de sensores y el acondicionamiento de estas señales, siendo estos módulos desarrollados por el Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas.
En las plantas de tratamiento de agua es importante la medición y el registro de variables eléctricas y químicas asociados al proceso y calidad del producto final, para esto se utilizó un sistema embebido (pcDuino) comercial de bajo costo. Se desarrolló aplicaciones para descargar los datos almacenados a una computadora personal vía conexión (USB) o descargar los datos de forma inalámbrica (Bluetooth) en dispositivos con sistemas operativos móvil (android).
Los datos registrados permiten identificar si la unidad de tratamiento o el sistema fotovoltaico presenta anomalías, de esta forma se puede aplicar las acciones correctivas y preventivas necesarias.
Palabras claves—Acondicionamiento de Señales, Procesamiento, Registro, Sistema Embebido.
I. Introducción
La Fundación Instituto de Ingeniería para la Investigación y Desarrollo Tecnológico (FIIIDT) en la búsqueda de ofrecer mejor calidad de vida a comunidades indígenas aprovechando la tecnología, desarrolló plantas de tratamiento de agua para las comunidades Warao que viven en el Bajo Delta del Orinoco del Estado Delta Amacuro [11 ]. Este sector del territorio venezolano cuenta con grandes limitaciones entre las cuales está la dificultad en el acceso que en muchos casos, se realiza por transporte fluvial tradicional indígena (canoas), por lo tanto la vigilancia sanitaria y dotación de agua potable es deficiente, afectando la salud de los habitantes. Con las plantas desarrolladas se ofrece una solución a la disminución de enfermedades hídricas. Otra de las limitantes que se presenta en estas comunidades, es la carencia de infraestructura eléctrica para la instalación de los servicios básicos sumado al sistema potabilizador de agua de río expuesto. Las plantas de tratamiento son sistemas que tienen como objetivo tratar o acondicionar el agua de una fuente superficial o subterránea para una variedad de propósitos en los que se incluyen: remoción de microorganismos patógenos, sabores y olores, color y turbiedad en el agua [1], cumpliendo con la normativa vigente del Ministerio del Poder Popular para la Salud en materia de agua potable. Para suministrar electricidad a los componentes de las plantas de tratamiento de agua se usa un sistema fotovoltaico, que permite el funcionamiento de los motores y electrobombas durante proceso.
Debido a la dificultad de acceso y de comunicación de estas comunidades indígenas, se desconoce el estado actual de las plantas de tratamientos hasta el momento en que se realiza la inspección programada en sitio, dichos traslados de personal y equipos suelen ser cada vez más costosos.
El sistema de adquisición de datos generará un registro durante el funcionamiento de la planta de tratamiento de agua, estos datos en el momento de la inspección serán transferidos a una computadora por USB o un dispositivo móvil a través de Bluetooth permitiendo un diagnóstico completo en un tiempo menor.
Por lo tanto, para llevar un control del funcionamiento adecuado de los equipos, se analizan variables como: tensión, corriente, potencia y adicionalmente variables de calidad del agua, que provienen directamente de la planta de tratamiento, como el pH del agua tratada. Para la debida obtención de las variables antes mencionadas se requiere implementar un acondicionador de señales, que en sentido amplio, son los elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal de salida de un sensor electrónico, una señal apta para ser presentada o registrada [3].
II. Diseño del equipo registrador de datos
A. Descripción general del proceso
Sistema fotovoltaico (figura 1), es un sistema capaz de generar energía eléctrica a partir de la transformación de la energía solar, permitiendo suministrar electricidad por un periodo sin interrupciones alimentando cargas en corriente continúa y/o corriente alterna.
Registrando las variables eléctricas del sistema durante el tiempo de operación, se puede generar un reporte para facilitar el diagnóstico. Para esto, se requiere convertir las señales en valores que sean aceptados por el dispositivo que va a almacenar las variables involucradas, por ende se desarrolla un acondicionador de señales. Como dispositivo registrador se usa una placa de desarrollo de bajo costo la pcDuino creada por Linksprite (figura 2), esta tarjeta ofrece varias características entre las más importantes observamos que viene integrado un Arduino UNO permitiendo usar los puertos analógico/digital (ADC) de 12 bits, además dispone de un sistema operativo, posee una memoria RAM de 512 MB y un procesador de 1 GHz entre otras características. La transferencia a la PC se realiza por un conversor de UART a protocolo USB, si la transferencia se realiza a un dispositivo Android se usa un módulo Bluetooth, que es un conversor de comunicación UART a protocolo Bluetooth.
B. Acondicionador de señales
Debido a que el registrador no permite procesar tensiones por encima de los 3 V y por otro lado los sensores de corriente (las resistencias Shunt) entregan tensiones muy bajas, alrededor de los 60 mV para una corriente de 25 A, que requieren ser amplificadas.
Las corrientes son medidas por medio de la diferencia de potencial en una resistencia Shunt (figura 3). Posteriormente se usa un amplificador instrumental, el AD620 con un factor de ganancia de 167 para aumentar el máximo valor proveniente del sensor a 10V y luego por un componente AD210 un amplificador de aislamiento. Debido a que la tensión máxima medible es de 3V se aplica un simple divisor de tensión a la salida de la tarjeta con el fin de realizar la lectura por el canal analógico del pcDuino.
Las tensiones en continua por su parte solo requieren ser reducidas hasta niveles de voltaje aceptables por el registrador esto se logra aplicando divisores de tensión, luego se usan amplificadores operacionales conectados como seguidores de tensión, con lo cual el nivel que entra es el mismo nivel de tensión que sale. Esto también permite aislar la referencia del sistema con la referencia que tiene el pcDuino y evitar daños en los equipos.
Debido a que las entradas ADC del registrador no permiten tensiones negativas, se debe introducir un nivel DC en todas las variables que posean una tensión negativa como es el caso de la tensión y corriente en AC. Incluso en la corriente de las baterías porque está circula en un sentido cuando se carga y en el opuesto cuando entrega, y dependiendo de la conexión del sensor esta tensión será positiva en caso contrario será negativa, además requerido para la medición de pH.
Otra variable importante a registrar es la del pH, la cantidad de pH es una medida de la concentración de iones libres de hidrógeno en el agua. El agua, y otros químicos en solución, se ionizan a un mayor o menor grado. En soluciones neutras [OH]=[H], de aquí que pH=pOH=7. El aumentar la acidez lleva a mayores valores de [H], así, a bajos valores de pH. Un pH bajo es asociado a la acidez, y un pH alto, a la alcalinidad [1], la cual se mide con un electrodo que genera una señal eléctrica (en mili-Volt) dependiendo de su concentración de hidrógeno en el líquido. La tensión obtenida requiere ser amplificada para realizar el registro por lo cual se usa un amplificador operacional. La respuesta típica de pH – mV (figura 4), se aprecia que estas relaciones son afectadas con la temperatura que posea el líquido. Si la temperatura es mayor también lo será la pendiente de la recta, el único punto que no es afectado por la temperatura es el cero (0) mV que representa el nivel de pH 7[6].
Para tratar esta variable se configura el operacional para aumentar el valor de la señal y a su vez introducir un nivel DC para evitar los valores negativos, debido a que el ADC no permite entrada de valores negativos.
Como se dispone de 4 entradas analógicas de 12 bits en el sistema embebido, se anexó un multiplexor (figura 5) para cumplir con el número de variables a registrar.
C. Registrador
El registrador tiene como objetivo principal recibir y almacenar los datos de cada variable de acuerdo a los tiempos y la forma en que son recibidos. Esto depende del tipo de variable, si son en DC o en AC, ya que para la medición en corriente alterna se requiere seguir normas como la IEC 61000-4-30 donde se establecen los parámetros necesarios para realizar las medidas sin perder información que pudiera ser importante.
Para cumplir con la tarea del registrador se utiliza un pcDuino, debido a que es un sistema de desarrollo de bajo costo y de tamaño reducido [7] (figura 6), permite una variada gama de lenguajes de programación, dentro de su hardware posee diversos medios de comunicación, como la comunicación serial por UART, SPI e I2C y dispone de conexión a internet por Ethernet. Por otra parte es compatible con los Shields de Arduino debido a que tiene integrado los puertos y pines de un Arduino UNO, para cumplir con la tarea de almacenar las variables mencionadas anteriormente posee un puerto para microSD.
Figura 6. pcDuino V2. [7]
De acuerdo con las características del hardware del pcDuino, se usan las 4 entradas analógicas de 12 bits para obtener la lectura de las variables provenientes del acondicionador de señales. La disposición de las entradas (figura 7) está distribuido mediante los puertos A4 y A5 donde se miden las tensiones y corrientes en AC respectivamente. Se dispone de un multiplexor 8×1 para introducir 6 señales, todas en DC, por medio de una única entrada el puerto A2. El sensor de pH va conectado a la entrada A3 del registrador. Si se aplican multiplexores en las 4 entradas se puede llegar a tener hasta 32 entradas analógicas de 12 bits.
El registrador se encarga de generar reportes de los datos y almacenarlos en documentos de texto (*.txt). Se crea un archivo que contiene toda la información recibida en el registrador (figura 8), se puede apreciar una muestra del archivo generado y como se almacenan las variables en el archivo, cada dato está separado por comas y poseen la siguiente estructura:
Los 2 primeros son los datos de la tensión en DC, el primero representa la tensión que proviene de los paneles (Vp) y el segundo refleja el valor de la tensión del punto en común después del controlador de carga (Vnodo).
Los siguientes 4 datos representan la corriente medida por la resistencia shunt en DC.
El 5to dato representa el pH recolectado por el electrodo. Los dos últimos son los valores en alterna, comenzando con la tensión, seguido por la corriente.
El registrador posee integrada una salida HDMI lo que permite conectar un monitor en el sitio y observar el comportamiento de las variables desde el terminal. El HDMI se puede usar para realizar cualquier modificación del código implementado, para corregir algún error en la adquisición, así como agregar algún nuevo sensor.
Posee un puerto OTG (On The Go) el cual viene configurado para realizar una conexión Ethernet por medio del puerto USB-OTG a una computadora, esta novedad nos permite realizar una conexión remota al equipo permitiendo un acceso al sistema a través de un visor VNC (Virtual Network Computing). Esto permite cambiar o variar el código del programa sin tener que llevar algo más que una laptop, por otro lado se puede tener acceso al archivo generado y guardar en un Pendrive conectado en el puerto USB del registrador.
III. Aplicación de recepción y visualización
A. Aplicación para PC
Para la inspección en el sitio se procede a establecer la comunicación entre el registrador y la laptop por medio de una conexión USB e iniciar la transferencia de archivos. La comunicación se realiza por medio de un FTDI, circuito integrado compuesto de un chip FT232 que permite pasar de UART a USB. Al ser detectado por la pc, esta le asigna un puerto COM-X (donde X representa el número de asignación).
La aplicación desarrollada en LabView (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) de National Instruments consta de 3 ventanas, la inicial (figura 9) que permite seleccionar que acción ejecutará el usuario, bien sea recibir el archivo de texto o visualizar algún archivo guardado anteriormente o el recién copiado.
La segunda ventana (figura 10) permite seleccionar el puerto por el cual se van a recibir los datos, un botón de inicio de envío y otro para detener el proceso. Al completar la copia del archivo en la pc, la ventana se cierra de forma automática regresando a la ventana inicial.
La ventana de visualización (figura 11), tercera ventana, consta de gráficas y tablas donde se refleja el historial de las variables, posee pestañas para diferentes tipos de muestra de resultados como por ejemplo cada variable por separado o en una sola gráfica que permita comparar su comportamiento en el tiempo. La aplicación permite comparar datos registrados con mediciones en tiempo real
B. Aplicación para Android
El sistema es compatible con Android mediante una conexión Bluetooth facilitando usar cualquier dispositivo (teléfono inteligente, tablet) para la adquisición de los datos.
Se desarrolló una aplicación (figura 12) que permite establecer un canal de comunicación entre el registrador y el dispositivo móvil para la transferencia de los archivos. La programación se realizó en Java con Android Studio [8] o en Scratch directamente en una página web [9]. Estos datos podrán ser enviados mediante el dispositivo cuando este posea una señal de datos móviles para su estudio en la base de operaciones de la FIIIDT.
La aplicación permite recibir el archivo con el histórico mediante Bluetooth, para establecer la comunicación se usa el módulo HC-06 de Bluetooth a UART para enviar los datos al dispositivo conectado. Con ayuda de otras aplicaciones gratuitas disponibles en la PlayStore, como la CSVGrapher, podemos visualizar la información del archivo por medio de gráficas.
Por otro lado se desarrolló otra aplicación que permite tener acceso a las variables en tiempo real (figura 13), se aprecian pantallas con la aplicación y mostrando la información obtenida cada 1 segundo.
IV. Conclusiones
Se diseñó un sistema de adquisición de datos que permite acondicionar, medir, registrar y transferir las variables eléctricas y químicas para diagnosticar el funcionamiento de un sistema fotovoltaico aplicado a las plantas de tratamiento de agua de ríos.
Se elaboró un prototipo del dispositivo capaz de obtener y almacenar las variables necesarias para mantener en constante evaluación el proceso de generación eléctrica por medio de un sistema fotovoltaico que alimenta a una planta de tratamiento de agua para las comunidades indígenas del bajo Delta del Orinoco en el Estado Delta Amacuro.
En la planta se instaló un sensor de pH para llevar un control del pH o grado de acidez o basicidad del agua tratada para poder ofrecer un buen servicio con agua de calidad, según los límites establecidos en las Normas Sanitarias de Calidad del Agua Potable (Gaceta Oficial Nº 36.395 del 13 de Febrero de
1998).
Referencias bibliográficas
[1] Terrence J., Mcghee (1999). “Ingeniería Ambiental. Abastecimiento de agua y alcantarillado”, sexta edición. pp. 164, Colombia McGraw- Hill Interamericana, S.A.
[2] M. B. Waghmare and Dr. P. N. Chautur. “Temperature and Humidity Analysis using Data Logger of Data Acquisition System: An Approach”, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. Volumen 2, Issue 1, Enero 2012. Pp. 102
[3] Pallás A., Ramón (2000). “Sensores y Acondicionadores de señal”, 3ra edición, pp. 3, México Alfaomega.
[4] J. M. Tjensvold. “Comparison of the IEEE 802.11, 802.15.1, 802.15.4 and 802.15.6 wireless standard”. September 18, 2007.
[5] D.D. Vyas and H. N. Pandya. “Design and development of A Plug-In Type Wireless Data Logger for Energy Measurement”. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volumen6, Issue 2, May-Jul. 2013. Pp. 15.
[6] Rmprocesscontrol (consultada Enero 2015), “Introduction to pH and pH measurement”. Disponible en www.rmprocesscontrol.co.uk/Technical.htm
[7] Linksprite (consulta en Noviembre 2014), “Linksprite pcDuino 2, overview”. Disponible en http://www.linksprite.com/?page_id=809 .
[8] Android estudio (Consulta en Enero 2015). “Download Android Studio and SDK Tools”. Disponible en http://developer.android.com/sdk/index.html.
[9] App Inventor. (Consulta febrero 2015) “MIT App Inventor”. Disponible en http://appinventor.mit.edu/explore
[10] Araya Hugo (2015). “Diseño de un registrador de datos de variables eléctricas/químicas y una interfaz para la descarga y procesamiento de los datos a implementar en una planta de tratamiento de agua en el bajo Delta”. Trabajo Especial de Grado UCV – FIIIDT.
[11] N. Camacho, N. Expósito, A. Álvarez (2015) “PROGRAMA DE GESTIÓN Y MEJORAMIENTO AMBIENTAL EN COMUNIDADES DEL DELTA DEL ORINOCO”. Informe de actividades realizadas en el marco del convenio firmado por Total Venezuela S. A.- Fundación Instituto de Ingeniería FIIIDT.
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