Instrumento adquisidor de datos para monitoreo y control de un secadero de alimentos

Mercado, Nicolás – Pianezzola, Luis

Dra. Ing. Coronel, Eve – Mgr. Ing. Gunther, Daniel – Mgr. Ing. López Gustavo. Universidad Nacional de Santiago del Estero – Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologías

nicomercado2@gmail.com – luispianezzola@gmail.com Este proyecto será presentado como Proyecto Final de la carrera de Ingeniería

Electrónica en la Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologías de la Universidad Nacional

de Santiago del Estero y aborda el desarrollo de un instrumento de control de

temperaturas de calentamiento del aire de secado, adquisición y monitoreo de variables

de la operación para un prototipo de secadero destinado a actividades de investigación.

Dicho dispositivo facilitará el análisis y evaluación de la deshidratación de alimentos en un

secadero de lecho fijo con calentamiento de aire a partir de dos fuentes de energía: solar

y eléctrica. Para ello debe ser capaz de: 1) Controlar la temperatura de secado de forma

automática. 2) Realizar la lectura de los parámetros involucrados en el proceso:

temperatura del aire en distintos puntos del secadero, peso del producto en proceso,

humedad relativa del aire de salida. 3) Exportar los datos obtenidos en la lectura hacia

una computadora para visualizarlos en tiempo real. 4) Almacenar información para la

posterior generación de un informe que muestre la evolución de dichas variables durante

el proceso.

La interfaz gráfica, desarrollada en LabVIEW, permite al usuario configurar la temperatura

de trabajo, el tiempo de duración de proceso y el tiempo de muestreo de las variables de

operación. Además muestra los valores de las variables físicas mencionadas en tiempo

real y crea un archivo de EXCEL con el historial del proceso.

La comunicación entre la computadora y la placa adquisidora de datos se realiza a través

del puerto USB.

Introducción

El secado es una operación básica ampliamente utilizada para la conservación de alimentos. Esta operación consiste en reducir la humedad contenida inicialmente en el producto para disminuir su actividad de agua, evitando así la proliferación de microorganismos y prolongando su vida útil. Entre las ventajas de los alimentos

deshidratados se destaca la disminución de su peso y de su volumen por pérdida de masa de agua, lo cual facilita su manipulación, almacenamiento, transporte y distribución, generando costos menores que otras alternativas de conservación. Si bien la deshidratación es una de las técnicas más antiguas utilizadas para la conservación de alimentos,

actualmente se investigan tecnologías y procesos que permitan obtener mejores productos deshidratados y eficientizar la energía requerida durante esta operación. Un secadero de lecho fijo consiste en una cámara que contiene bandejas perforadas, mallas u otro tipo de soporte, sobre el cual se dispone el producto a deshidratar. A través de estas bandejas circula el agente desecante, que puede ser el aire, que cumple la función de conducir el calor hacia el producto y de arrastrar la humedad de la superficie del mismo, generando un desequilibrio en ella que extrae el agua desde el interior del alimento hacia el aire circundante. El secadero desarrollado con tecnología combinada de calentamiento de aire: colector solar y resistencia eléctrica, pretende eficientizar la energía de calefacción del aire de secado. Para ello, permite que el instrumento determine automáticamente el uso de la fuente de calor a energía eléctrica de acuerdo a las temperaturas leídas por los sensores de la planta, de modo que si el calor proporcionado por el colector solar no logra alcanzar la temperatura especificada, se active el sistema de calentamiento eléctrico para complementar los requerimientos energéticos del proceso de deshidratación. En el caso de que la energía térmica obtenida del sol sea suficiente o mayor a la requerida, el sistema eléctrico se mantendrá apagado. En la figura1 se puede observar el diseño del secadero, donde se indican la cámara de secado, el colector solar y la resistencia eléctrica. La etapa de adquisición de datos, control de temperatura e interfase

con la computadora se diseñó en base a microcontroladores PIC. Ésta incluye el desarrollo de los circuitos electrónicos necesarios para el acondicionamiento de las distintas señales provinentes de los sensores y equipos de medición, y para el control de intensidad de calor de las resistencias eléctricas, como así también, el desarrollo de los algoritmos de control de temperatura, etc. La figura 2 muestra un esquema del sistema desarrollado y construido en base a las necesidades planteadas por la profesional del área de ingeniería en alimentos que hará uso del secadero.

CAMARA DE SECADO

COLECTOR SOLAR

RESISTENCIA ELECTRICA

Figura 1 – Partes del Secadero

Sensores y dispositivos de medición

Termocuplas Mediante 2 (dos) termocuplas tipo J con su respectivo cabezal marca NOVUS que acondiciona la señal a una de tipo lineal de 4-20 mA se efectúan las lecturas de temperaturas en el interior del secadero. Para poder leerlas con el microcontrolador se necesita una etapa que convierta esta señal de corriente en una de tensión de hasta 5V. El circuito realizado es el siguiente:

Como puede observarse, para el filtrado de la señal se usa un filtro pasa bajos de 2do orden y ganancia unitaria Butterworth con estructura Sallen Key y frecuencia de corte de aproximadamente 10HZ. Estos tipos de filtros son muy comunes en aplicaciones de conversión de datos en general, cuando es necesario conseguir una buena precisión de medida en la banda de paso debido a que tienen una respuesta plana. La termocupla 1 se ubica en la parte superior de la cámara de secado y tiene como misión sensar la temperatura a la que se encuentran los alimentos en la bandeja de ensayo. En base a esta medición se realiza el control de temperatura. La termocupla 2 se encuentra ubicada en la parte inferior de la cámara de secado para medir la temperatura del aire que ingresa a la misma

PT100 El PT100 es un sensor que varía su valor de resistencia dependiendo de la temperatura a la que está sometido. Se debe construir un circuito que traduzca esta información a valores de voltaje, con el fin de ser leídos por el microcontrolador.

Dicho circuito consta de una fuente de corriente de 1mA [1] que alimenta el sensor y sirve para generar un voltaje proporcional a su valor de resistencia, un restador para eliminar los errores por caída de tensión en los cables, un amplificador para poder aprovechar al máximo el conversor A/D y un filtro pasa bajos con frecuencia de corte de aproximadamente 10Hz para eliminar errores por ruido. En el secadero hibrido se hace uso de un PT100 para medir la temperatura del aire que sale del mismo. Sensor de Humedad HIH4000 El sensor de humedad HIH4000, permite realizar la lectura de la humedad relativa del secadero. La elección de este sensor en particular se debe a su linealidad, su accesible precio y al hecho de que se encuentra disponible en el mercado. El HIH4000 otorga valores de voltaje que van desde los 0.8V hasta los 3.8V [2], con lo cual pueden ser conectados directamente a una de las entradas analógicas del microcontrolador, pasando solo por

una etapa de adaptación de impedancia y un filtro pasabajos.

Se hace uso del sensor de humedad HIH4000 para medir la humedad relativa del aire que sale del mismo del secadero. Balanza Ohaus Traveler Para medir el peso del alimento a secar se eligió la balanza Traveler modelo TA5000 de la marca OHAUS con rango de medición de 0 a 5000 grs. El motivo de su elección es que, dentro de las balanzas disponibles en el mercado, es la más económica de las que se ajustan a las necesidades del proyecto al tener las siguientes características. • Gancho inferior para pesaje en

suspensión (para bandeja de alimentos).

• Modulo de comunicación opcional RS232 o USB

• Hasta 5Kg de medición, con precisión de 1g.

• Uso alternativo de pilas para la alimentación.

En la figura 6 se muestra la distribución de los sensores y de la balanza en el secadero de lecho fijo.

El microcontrolador PIC18F4550 El PIC18F4550 [3] es el motor principal del “Instrumento adquisidor de datos para el monitoreo y control del secadero de alimentos”. Este puede funcionar en dos modos distintos de acuerdo a la configuración que reciba desde la computadora. Estos dos modos pueden ser “monitoreo” o “adquisición”.

El modo monitoreo comienza cuando se da inicio al proceso de secado desde la interfaz gráfica y finaliza junto con el mismo una vez cumplido el tiempo de duración de proceso predefinido en la configuración. Durante este tiempo, el microcontrolador realiza una serie de tareas cíclicas en intervalos de 0,5 segundos. Estas son: • Lecturas de las entradas analógicas donde se encuentran conectados los sensores usando el módulo de conversión A/D. Dichas entradas son: AN0 para la Termocupla1, AN1 para la Termocupla2, AN4 para el PT100 y AN5 para el sensor de humedad HIH-4000. • Lectura del peso del alimento en proceso de deshidración a través de comunicación por módulo USART con la balanza Ohaus Traveler. • Procesamiento matemático de datos para la posterior visualización.

• Cálculo para control de temperatura tipo Proporcional Integrativo. • Almacenamiento de datos en memoria EEPROM externa 24LC256 por protocolo I2C cada un intervalo de tiempo de muestreo que puede ser 1min, 5min, 10min o 15min configurables desde la PC. • Comunicación con PIC esclavo enviando datos de lectura e información para el control de temperatura por protocolo I2C. • Envío de datos a la computadora a través del puerto USB. El modo adquisición dura una fracción de segundos y se realiza cuando el proceso de secado no se encuentra en marcha. El mismo tiene inicio cuando el microcontrolador recibe la orden de adquisición de datos desde la computadora. En este caso, las tareas que realiza son: • Lectura de EEPROM externa por protocolo I2C • Envío de datos a la computadora a través del puerto USB para la generación de informe y gráficas. Tanto en uno u otro modo, el microcontrolador mantiene una comunicación con la computadora. Para garantizar el correcto intercambio de datos, se utiliza un protocolo de comunicación propio mediante el cual la computadora determina si ésta se encuentra alineada y sincronizada con el PIC. El código fuente para este microcontrolador fue escrito en lenguaje C y se usó el compilador C18 de Microchip El microcontrolador PIC16F876A

Éste complementa al PIC18F4550. Se encarga de realizar dos tareas: disparo de un tiristor para el control

de temperatura y visualización de las variables leídas en el proceso en un display LCD colocado en el tablero eléctrico del secadero. Visualización: El PIC16F876A [4] muestra en un LCD los valores de las variables del proceso provenientes de las lecturas tomadas por el PIC18F4550 a través de la comunicación I2C. Estos datos se actualizan cada 0,5 segundos pero debido al tamaño del display se presenta la información en dos pantallas que alternan cada aproximadamente 3 segundos. En la primera pantalla se presentan los valores medidos por los 3 sensores de temperatura como se muestra en la Figura 7.

En la segunda pantalla los valores que se muestran corresponden al peso, humedad relativa y potencia porcentual aplicada a la resistencia (Figura 8).

En este caso, a diferencia del maestro I2C, en el esclavo I2C se configura el módulo de comunicación para trabaja con interrupciones. Disparo de triac Para la función de circuito de disparo del triac, el microcontrolador realiza un grupo de operaciones que se pueden clasificar en cuatro etapas. 1.-Lectura del punto de regulación: El PIC16F876A recibe, junto con los datos para visualización, la información de cual de los 51 puntos

de regulación de potencia en la resistencia se debe establecer. 2.-Detección de cruce por cero: A través de una interrupción por RB0 se detecta el cruce por cero de la onda senoidal de la red. 3.-Retardo: Dentro de la interrupción por RB0, se configura el TIMER0 para que produzca una interrupción temporizada en un valor que depende del punto de regulación. Los posibles tiempos de retardo están almacenados en una tabla dentro del microcontrolador. 4.-Generación del pulso: Al producirse la interrupción por desborde de TIMER0 indicando que el retardo ha concluido, el microcontrolador genera un pulso de 5V por RB1 que dispara al triac del regulador. El código fuente para este microcontrolador fue escrito en Assembler y se usó el compilador MPASM de Microchip.

Control de temperatura Para el control de temperatura en el secadero de lecho fijo hibrido se puede implementar de un sistema de lazo cerrado. La detección de error se logra de una manera muy simple. La entrada de referencia es la temperatura que se desea en la planta y se puede configurar a través de la interfaz gráfica. La lectura de la temperatura real de la planta o variable controlada la realiza la termocupla 1. Para calcular la señal de error solo basta con que el PIC18F4550 realice la resta entre la entrada de referencia y la lectura de la temperatura real. Una vez que el microcontrolador determina cuanto vale la señal de error, el mismo debe calcular que valor de potencia se debe aplicar a la resistencia calefactora. Los

posibles niveles de potencia se encuentran discretizados en 51 valores, siendo el nivel 0 el 0% de potencia y el 50 el 100% de potencia. Cuando el PIC18F4550 tiene este dato lo transmite por protocolo I2C al PIC16F876A que forma parte del regulador de tensión. Se diseño un controlador PI, buscando siempre cumplir con los siguientes requisitos desempeño: error en estado estacionario nulo y tiempo de respuesta menor a 1 hora. Como en este caso no se conoce la función de transferencia de los elementos del lazo de control se debe recurrió a una parametrización experimental.

Interfaz gráfica El software para la PC se dividió en tres partes: “INICIO”, “MONITOREO” y “ADQUISICIÓN”. En el apartado INICIO se fijan los parámetros que regirán el proceso al que se dará inicio. Éstos son Temperatura de Proceso, Tiempo de muestreo y Duración de proceso. Una vez seleccionados los valores deseados se da comienzo al secado dando click sobre el botón de inicio.

En la sección “MONITOREO” (figura 10) se pueden visualizar las variables involucradas en el proceso de secado en forma instantánea una vez oprimido el botón “Monitoreo”. Luego de dicha acción, la comunicación entre la computadora

y el sistema de medición se realiza de forma continua hasta que se decida interrumpir el monitoreo haciendo uso del botón “PARAR” o se llegue al tiempo de duración de proceso.

Con la sección “ADQUISICIÓN” se realiza la lectura de los datos almacenados en la memoria EEPROM del instrumento y es aquí donde se crea el informe del último proceso ejecutado luego de presionar en el botón “Leer Dispositivo”.

Dicho archivo es una tabla de EXCEL como la que se muestra en la figura12.

Conclusiones En este momento el secadero se encuentra en prueba para la calibración de los parámetros del control PI. Se logró un instrumento que cumple con los requerimientos solicitados por la profesional del área de ingeniería en alimentos que hará uso del mismo.

Una vez que estos comiencen a trabajar con este sistema podrán sugerir mejoras a realizar para lograr un mejor desempeño del aparato.

En base a este proyecto se tiene pensado equipar otros secaderos de distintas tecnologías.

Referencias [1] AN687c Precision teperature-sensing with RTD circuits, Microchip Technology Inc. Document: DS00687C. [2] HIH-4000 Series Humidity Sensors, Honeywell International Inc. [3] PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet, Microchip Technology Inc. Document: DS39632D. [4] PIC16F87XA Data Sheet, Microchip Technology Inc. Document: DS39582B.