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