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UNIVERSIDAD DE SEVILLA

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

INGENIERIA EN AUTOMATICA YELECTRONICA INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

SISTEMA DE PERFUSION CONCRIOPROTECTORES Y KREBS PARA

CONSERVACION DE TEJIDOS YORGANOS EN FRIO.

Autor: Ricardo Campa ValeraTutor: Laura Roa Romero

Co-director: Ramón Risco Delgado

SISTEMA DE PERFUSION CON CRIOPROTECTORES Y KREBS PARA CONSERVACION DE TEJIDOS Y ORGANOS EN FRIO.

Autor: RICARDO CAMPA VALERA. Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla.

INDICE. 0 - 1

1. INTRODUCCION.

2. PROCESO.

2.1. Principios físico-químicos de la preservación en frío.2.1.1 Introducción.2.1.2 Principios físicos-químicos.

2.2. El proceso con cuatro bombas.2.2.1 Sistema de perfusión.2.2.2 Sistema de almacenamiento.2.2.3 Sistema de monitorización.2.2.4 Ensayo del sistema de perfusión, almacenamiento y monitorización.Experimento con corazones de rata.

2.3. Proceso con dos bombas.2.4. Equipo auxiliar.

2.4.1 Eliminador de burbujas.2.4.2 Baños de temperatura.2.4.3 Agitadores.2.4.4 Sistema de tuberías.

2.5. Cálculos realizados.

3. CONTROL DEL PROCESO.

3.1. Bucle abierto – cerrado.3.2. Diseño de un sistema de control.

3.2.1 Diagrama del proceso.3.2.2 Modelo de un motor de c.c.

3.3. Control.3.3.1 Introducción.3.3.2 El sistema.A) Caracterización temporal.B) Caracterización frecuencial.C) Incertidumbres.3.3.3 Controladores.A) PID.B) Controlador mediante el moldeo de la función de lazo.C) Controlador H∞∞∞∞.

0. INDICE.



INDICE. 0 - 2

D) Predictivo.3.3.4 Conclusiones.

3.4. Regulación digital electrónica.

4. TARJETA DE E/S.

4.1. Función.4.2. Tarjeta DT331. Características.

5. CIRCUITO INTERFAZ.

5.1. Generalidades.5.1.1 Circuitos de potencia.5.1.2 Dispositivos electrónicos.5.1.3 Soluciones adoptadas.

5.2. Interfaz para bombas de cc.5.2.1 Convertidores conmutados c.c.-c.c.5.2.2 Modulación PWM.5.2.3 Diagrama del circuito. Componentes y pistas.5.2.4 Funcionamiento. Generalidades.

5.3. Interfaz para bombas de ca.5.3.1 Modulación por tiempo proporcional.5.3.2 Diagrama del circuito. Componentes y pistas.5.3.3 Funcionamiento. Generalidades

6. BOMBAS.

6.1. Tipos de bombas.6.2. Bombas peristálticas.6.3. Curvas de trompeta.

7. PROGRAMACION.

7.1 Programas usados.7.2 Programación en HP VEE.

8. BIBLIOGRAFÍA.

8.1. Libros.8.2. Catálogos, artículos, revistas, etc.8.3. Direcciones en internet.

9. ANEXOS.(Se encuentra documentación técnica y tiene su propio índice).



INDICE. 0 - 3

INDICE DE LOS ANEXOS:

SISTEMAS DE PERFUSION.

TUBOS Y ACCESORIOS.

RUTINAS EN MATLAB:- CONTROLADORES.- CONTROL PREDICTIVO.

TARJETAS DT330.

CLASIFICACION DE SEMICONDUCTORES.

CONTROL POR FASE Y POR TIEMPO PROPORCIONAL.

INTEGRADO TEA 1511.

OPTOACOPLADOR.

TERMISTORES (NTC Y PTC).

TEMPERATURA.

SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS.

PWM CON COMPONENTES DISCRETOS.

PWM CON EL SG3524.

CONTROLADOR DE VELOCIDAD DE CA B14611.

CONVERTIDOR ANALOGICO/DIGITAL .

BOMBAS.

TUBOS PARA BOMBAS.

TUTORIAL DEL TANGO.



INTRODUCCION. 1 - 1

Este proyecto queda englobado dentro de un proyecto principal llamado“Preservación de tejidos y órganos para trasplantes” de mayor ámbito, másamplio, multidisciplinar y enormemente ambicioso.

Este proyecto principal, cuyo objetivo es mejorar la técnica actual deconservación en frío (preservación) de órganos para trasplantes, se divide endos subproyectos complementarios, uno teórico y otro experimental.

El actual proyecto se enmarca dentro de la parte experimental, y es elprimer paso a la implementación o realización práctica del objetivo delproyecto principal.

Los innumerables problemas y dificultades de tipo económico, técnico,burocrático, logístico, administrativo, personales, ..., etc., a los cuales se hacefrente cuando se realiza una implementación (y más si es la primera), sesiguen solventando gracias al tesón, esfuerzo, constancia y voluntad delinnumerable grupo humano que está comprometido con el proyecto principal.Desde aquí quiero sinceramente expresar mi profundo agradecimiento a todasestas personas y a mi familia por el apoyo incondicional que siempre meprestan.

Este proyecto, cuyo nombre es “Sistema de perfusión concrioprotectores y Krebs para conservación de tejidos y órganos en frío”,es la piedra angular y base del proyecto principal experimental. Su objetivo ofin último es el construir un sistema de perfusión con control digital detemperatura y concentración.

Es conveniente comentar algunas de las palabras con las que se da nombreal proyecto. Así:

• Perfusión: Acción de perfundir. Introducción directa, y de modo continuo,de un líquido en el sistema circulatorio.

1. INTRODUCCION.



INTRODUCCION. 1 - 2

• Crioprotectores: Son en definitiva anticongelantes. Productos paramezclarlos a otros y que bajan el punto de congelación de estos últimos.

• Krebs: Disolución de agua con ciertas substancias que se usa a modo desangre (para ello se oxigena con carbógeno). Conviene un tipo desubstancias u otras dependiendo del tejido u órgano a preservar.

Este proyecto tiene unas miras muy ambiciosas, puesto que la posibilidadde conservar tejidos u órganos resulta de un interés extremo tal, que tanto si loque se realizan son avances en el almacenamiento a corto plazo o como largoplazo se consideraría todo un éxito.

• El almacenamiento a corto plazo es el que se utiliza actualmente en elcaso de transplante de órganos (corazón, riñón, hígado, pulmón,páncreas ...). Como ejemplo del interés que tiene perfeccionar la técnicaactual podemos tomar el caso más conocido: el trasplante de corazón.Actualmente el tiempo máximo de almacenamiento del corazón es detan sólo 4 horas. El almacenamiento se realiza en estado de hipotermia(4ºC) porque temperaturas más bajas sin crioprotector dañan el órgano.Este tiempo tan limitado se traduce en los altos costes del trasplante(transporte aéreo del órgano y numeroso personal sanitario) y en lareducción de la calidad y longevidad del órgano.

• El almacenamiento a largo plazo, la posibilidad de bancos de órganosy tejidos, es actualmente sólo un sueño. Dotaría a la medicina derecursos fabulosos, inimaginables hoy en día. La mera posibilidad de suexistencia, algo que de seguro empezará a plantearse en breve,supondrá de por sí una gran revolución en la medicina y la sociedad.

Se describen sólo los detalles del proyecto principal a corto plazo. Elproyecto se divide en dos subproyectos, que se llaman:

1.- “Estudio Termodinámico de la Formación de Hielo durante la Preservaciónde Organos en Frío” y2.- “Sistema Computerizado para la Perfusión de Organos con Crioprotectoresa Temperaturas Sub-cero”.

Con el proyecto principal se quiere dotar a la Universidad de Sevilla de ungrupo sólido de investigación dedicado exclusivamente a esta línea, y a su veza la Comunidad Andaluza y a nuestro país, ya que hasta donde conocemos no



INTRODUCCION. 1 - 3

existen en estos ámbitos grupos de investigación dedicados exclusivamente aesta temática.

Para conseguir nuestro objetivo, la conservación efectiva de tejidos yórganos en frío, quizá lo más destacable sea nuestro empeño en laorganización de los recursos de que disponemos tanto en la Universidad deSevilla (Escuela Superior de Ingenieros, Departamento de Fisiología Médica yBiofísica y Hospital Virgen Macarena) como en los distintos grupos que estáninteresados en la temática en Europa (Universidad de Coimbra, UniversidadJoseph Fourier de Grenoble y CNRS). Cuidamos al máximo los aspectos deorganización, lo que pasa por afianzar la red y fomentar la movilidad deestudiantes.

Nuestro trabajo está siendo difundido desde: www.cryobiotech.org ywww.cbt.us.es.

Para todo ello, son necesarios resultados concretos e investigaciones quesirvan de aliciente y aval. Tenemos actualmente abiertas dos líneas deinvestigación, una teórica y otra experimental. La investigación teórica secentra en el estudio termodinámico de las propiedades de los órganos alenfriarse, el papel de los crioprotectores y el diseño de protocolos efectivos(teórico). El trabajo experimental está centrado en el diseño, la construcción yel ensayo de un dispositivo de perfusión con agentes crioprotectores deórganos. Con la elaboración de este proyecto se trata de dar respuesta tanto aldiseño como a la construcción de dicho dispositivo.

A continuación se detallan las características de los estudios que estamosllevando a cabo.

Investigación teórica.

Cuando enfriamos la célula se pierde agua y se concentran los solutos.Aunque se enfríe linealmente en el tiempo por la superficie del órgano omediante su sistema vascular, esto no implica que se esté enfriandolinealmente todo el órgano. Estos perfiles no lineales en cada punto delórgano, dan lugar a distintas probabilidades de formación de hielo dentro delmismo. Para disminuir esta probabilidad de manera uniforme en todo elórgano es necesario enfriar siguiendo un perfil no lineal en la periferia (o en susistema vascular). Nos proponemos:



INTRODUCCION. 1 - 4

• Estudiar la probabilidad de formación de hielo intracelular bajo perfilesno lineales (Trabajo ya parcialmente realizado y aceptado parapublicación en la revista Cryobiology).

• Estudiar la transmisión de calor por conducción dentro de la célula(Trabajo ya parcialmente realizado y presentado como comunicaciónoral en la XXVII Reunión Bienal de la Real Sociedad Española deFísica, 2001).

• Estudiar la forma de enfriar la célula de forma que se uniformice yminimice la formación de hielo intracelular.

• Estudiar la trasmisión de calor por conducción desde la periferia de unórgano.

• Estudiar la transmisión de calor por conducción desde el sistemavascular.

• Estudiar la transmisión de calor por conducción (periferia y sistemavascular) y transporte de masa (sistema vascular).

• Estudiar la probabilidad de formación de hielo dentro del órgano.

En una fase posterior, someteremos al órgano durante la perfusión aultrasonidos capaces de destruir los cristales de hielo que eventualmente sevayan formando. En esta línea se está comenzando a hacer unos estudiosprevios al abordaje del trabajo.

Investigación experimental.

Los objetivos del segundo subproyecto son:

• Diseño y construcción de sistema de perfusión, almacenamiento ymonitorización.

• Diseñar un dispositivo de perfusión de órganos que permita controlar latemperatura y la concentración de crioprotector durante todo elprotocolo de preservación.



INTRODUCCION. 1 - 5

• Diseño de un sistema de monitorización de los parámetros que definenla funcionalidad de los órganos. En el caso que nos ocupará, el corazón,será un sistema de electrocardiografía por ordenador, un sistema decontrol de la presión en la aorta y por último un sistema de medida delesfuerzo del miocardio.

• Construcción física del dispositivo de control y monitorización de laperfusión. Está basado en los diseños anteriores.

El sistema experimental.

Se sabe que los agentes crioprotectores son tanto menos tóxicos cuantomás frío está el órgano. Por ello se realizará una perfusión controlandotemperaturas y concentraciones. Nos centraremos inicialmente en corazónporque podemos realizar pruebas sencillas de funcionalidad (esfuerzo,electrocardiograma). La idea es que se complementen la investigación teóricay experimental.

El sistema experimental, grosso modo, consiste en lo siguiente. En unordenador se establece la temperatura a la que queremos que esté el órgano yla concentración de crioprotector que debe de contener en cada instante detiempo. El ordenador se encargará de dar las debidas instrucciones al sistemade perfusión para que este inyecte en el órgano la solución con lascaracterísticas de temperatura y concentración definidas en el paso anterior.Un sistema de sensores continuamente monitoriza los parámetros que definenestas propiedades sobre el órgano. Esta información es enviada de vuelta alordenador, que comparándolas con las definidas teóricamente hará lasmodificaciones adecuadas para ajustarse a lo establecido por elexperimentador.

Con este sistema de “feed-back” (realimentación o bucle cerrado)esperamos poder bajar la temperatura del órgano al menos hasta –10ºC,utilizando los crioprotectores convencionales (polietilenglicol,dimetilsulfóxido). Tras el almacenamiento durante 20 horas del órgano enestas condiciones (sin perfundir), lo volvemos a la normalidad mediante elproceso contrario (lavado de crioprotector y recalentamiento). Después, lemedimos el grado de funcionalidad mediante pruebas de tensión yelectrocardiográficas. Por último hacemos un estudio histológico para ver elgrado de recuperación del tejido cardiaco.



INTRODUCCION. 1 - 6

Así, este proyecto sirve como base y apoyo al proceso experimental en elestudio del almacenamiento a corto plazo y es un pasito más de ese sueño alargo plazo de la criopreservación de tejidos y órganos.



PROCESO. 2 - 1

2.1. Principios físico-químicos de la preservación en frío.

2.1.1 Introducción.

El frío tiene el poder de preservar y el poder de destruir. No se sabe biencuales son esos límites; y ya se sabe que el poder es como la potencia, sincontrol no sirve de nada.

Sabemos que el enfriamiento de material biológico hasta temperaturassubcero provoca indefectiblemente la formación de cristales de hielo, letalessalvo en raras excepciones. Existen dos procedimientos que en principiopueden evitar la formación de hielo:

a) usar velocidades de enfriamiento de decenas de miles de grados porminuto, lo que es totalmente irrealista y fuera de las posibilidadesactuales de la técnica en la mayor parte de los casos.

b) añadir al sistema algún tipo de agente “anticongelante”(técnicamente llamados crioprotectores), con frecuencia utilizadoen otros campos de la industria. Esta segunda posibilidad se vieneaplicando desde hace tiempo en los laboratorios de todo el mundocon un éxito increíble. En nuestra Universidad se usa de formacotidiana cuando se trata de preservar células madre, embriones deratón, etc..., en nitrógeno líquido. El anticongelante utilizado esglicerol, polietilenglicol o dimetilsulfóxido, generalmente. Dichatécnica fue descubierta hace 50 años por C. Polge [Polge et al., 1949]y J. Lovelock [Lovelock, 1953] y recibe el nombre de vitrificación.

El problema de la preservación de material biológico de mayoresdimensiones, como tejidos u órganos, aún no ha podido ser resueltosatisfactoriamente mediante la utilización de agentes crioprotectores. Elmotivo principal es la toxicidad de estos productos a las concentracionesrequeridas (entorno a 8 molar) para una preservación efectiva.

2. PROCESO.



PROCESO. 2 - 2

Existen otros muchos problemas derivados en cierto modo del anterior:la diversidad citológica de un órgano, la elección de la velocidad óptima deenfriamiento y del tipo de crioprotector, la conductividad térmica finita delmedio, la lenta perfusión del crioprotector, la desvitrificación (formación dehielo durante la vuelta a temperatura ambiente),...

2.1.2 Principios físico-químicos.

Existe una relación directa entre la temperatura de almacenamiento y eltiempo durante el que se puede conservar la muestra. Fue el sueco premioNóbel Svante August Arrhenius quien en 1898 derivó la ecuación queestablece que las reacciones químicas ocurren más lentamente a medida que latemperatura desciende.

Cuando la temperatura está por debajo de –140ºC casi toda actividadmetabólica se detiene y sólo entonces podemos hablar de preservaciónefectiva. Así, el almacenamiento a largo plazo requiere de muy bajastemperaturas, típicamente entre –140ºC y –180ºC (criopreservación).

La preservación en frío se basa en el hecho de que las reaccionesquímicas (metabólicas) ocurren más lentamente a medida que desciende latemperatura. Según esto, a temperaturas por debajo de –140 ºC toda actividadbiológica se detiene. Sin embargo, también ocurre que antes de llegar a estastemperaturas la muestra en cuestión es incapaz de resistir el proceso deenfriamiento y muere.

Desde que se iniciaran hace 50 años los primeros experimentos depreservación en frío se ha avanzado mucho en el conocimiento de los procesosque tienen lugar cuando se enfría una muestra biológica en lo tocante apreservación de células aisladas (no tejidos ni órganos), sobre todo en célulasreproductoras. Esto ha permitido diseñar estrategias de conservación sin quepor ello el frío resulte particularmente dañino. Estas estrategias están basadasen la adición de agentes protectores (frente al frío) a la vez que en laoptimización de las velocidades de enfriamiento y recalentamiento.

La explicación última de los procesos físico-químicos que tienen lugaren una célula cuando se enfrían se basa en la llamada hipótesis de los dosfactores, desarrollada en 1963 por Peter Mazur [P. Mazur, 1963] y queesbozaremos seguidamente.



PROCESO. 2 - 3

Una célula, a efectos de lo que ahora nos ocupa, es básicamente unpequeño saco que encierra una disolución de agua y sales. El “material” delque está hecho este “saco” es lo que se llama una membrana semipermeable,un tejido especial que sólo deja pasar el agua a través de él pero no las salesque tiene disueltas, de ahí su nombre. Por ello, cuando el agua sale o entra enla célula la concentración de las sales disueltas aumenta o disminuye.

Bastan dos principios físicos para explicar lo que le ocurre a la célulamientras se enfría: el principio de ósmosis y el principio de descenso del puntode congelación.

El principio de ósmosis nos dice que cuando tenemos un saco (célula)semipermeable de este tipo sumergido en otra disolución salina, entonces elagua empieza a fluir en un sentido tal que tiende a igualar las concentracionesde las disoluciones. O sea, si sumergimos la célula en una disolución de salesmás concentrada que el interior celular, entonces el agua (y sólo el agua) salede la célula; esta, por lo tanto, se encoge y reduce de volumen. Si, por elcontrario, sumergimos la célula en una disolución más diluida que el interiorcelular, entonces empezará a entrar agua dentro de la célula intentando diluirtambién la disolución salina de su interior; el resultado es que la célula sehincha.

El principio de descenso del punto de congelación nos dice que sitenemos agua pura y disolvemos sal en ella, entonces el agua no se congelaráa 0º C, sino por debajo de esta temperatura; a una temperatura tanto más bajacuanto más sal hayamos disuelto en ella. Un ejemplo de este fenómeno, portodos conocidos, es el que se produce cuando evitamos el deterioro delradiador de nuestro automóvil al añadirle anticongelante.

Cuando tenemos un conjunto de células que queremos conservar en frío,inicialmente las células se tienen sumergidas dentro de un recipiente quecontiene una solución salina isotónica, es decir, con la misma concentraciónque el interior celular. Cuando se empieza a enfriar este preparado, el fríoalcanza antes la solución exterior que el interior celular. Esto trae comoconsecuencia que se empiece a formar hielo en el medio extracelular cuandoaún no se ha formado hielo dentro de la célula. A medida que se forma el hieloextracelular el agua líquida va desapareciendo (ya que va convirtiéndose enhielo). Al disminuir la cantidad de agua exterior, en base al principio deósmosis antes enunciado, empezará a salir agua de la célula para compensar laposible diferencia entre las concentraciones intra y extracelulares.



PROCESO. 2 - 4

Al salir agua de la célula, la sal que estaba disuelta en su interiorempezará a estar más concentrada: tanto más concentrada cuanto más aguasalga. Y es aquí cuando interviene el segundo principio, el principio dedescenso del punto de congelación. Y es que al estar más concentrada ladisolución salina intracelular, la temperatura a la que se formará hielodesciende: será más difícil que el agua de dentro de la célula se congele y dañesus estructuras. Así, mientras enfriemos poco a poco, el proceso continuaráindefinidamente: crecerá el hielo extracelular, saldrá agua de la célula paracompensar las concentraciones salinas dentro y fuera, se concentrará la saldentro de la célula y descenderá aún más la temperatura necesaria para que seforme hielo dentro. Por ello, con una velocidad de enfriamientosuficientemente lenta podemos evitar por completo la formación del dañinohielo intracelular.

La no formación de hielo mediante este procedimiento no es sinónimode supervivencia celular. Y es que aunque no se forme hielo aparecen dosnuevos factores que dañan gravemente a la célula. Por una parte está el hechode que en cierto instante la concentración de sales dentro de la célula llega aser tan alta que resulta muy tóxica. Por otra parte, al salir tanta agua de lacélula su volumen disminuye peligrosamente, produciendo deformacionesestructurales irreversibles. Estos dos factores son tanto o más perjudiciales quela formación de hielo intracelular. En la Fig. 1 se muestra de formaesquemática los tipos de daños según la velocidad de enfriamiento. Por ello,en los protocolos de preservación de células aisladas hay que enfriar a unavelocidad que sea lo suficientemente lenta como para evitar en lo posible laformación de hielo intracelular, pero a su vez, lo suficientemente rápida comopara no producir una deshidratación excesiva que conlleve una destrucciónirreversible de la estructura celular. Esto da lugar a que cuando representamosel porcentaje de células que sobreviven a un proceso de preservación en fríoen función de la velocidad de enfriamiento sea típicamente el de una Uinvertida, tal como se muestra en la Fig. 2.



PROCESO. 2 - 5

Figura 1. La formación de hielo comienza en el exterior celular (de –2º C a –5º C). Tras ello, dependiendo de la velocidad de enfriamiento, se puedenproducir distintos resultados. A) Si el proceso de enfriamiento essuficientemente lento, entonces NO se forma hielo dentro de la célula. Sinembargo las causas de la muerte celular vienen provocadas por una excesivadeshidratación de esta, que da lugar a una reducción de su volumen (enalgunos casos irreversible). B) Si se enfría a una velocidad intermediaentonces sí se produce hielo intracelular, ya que la célula no se deshidratasuficientemente y por tanto el descenso del punto de congelación no llega aser suficiente. C) Cuando se enfría a velocidades muy altas se producevitrificación.

- 2º C - 5º CENFRIAMIENTORÁPIDO

ENFRIAMIENTOLENTO

ENFRIAMIENTOMUY RÁPIDO

- 10 º C



PROCESO. 2 - 6

Figura 2. Supervivencia de los distintos tipos de células en función de lavelocidad de enfriamiento. Se observa el típico comportamiento de Uinvertida en todas ellas. Como se explica en el texto, esto es debido a lallamada hipótesis de los dos factores (toxicidad-sobreenfriamiento) que hacenque sea necesario un compromiso entre la temperatura y la concentración decrioprotector.

Por último, y como hablamos al principio, hemos de aclarar que aunquela mayoría de los experimentos se han hecho en el régimen de velocidades deenfriamiento antes señalado, a veces existe la posibilidad de velocidades deenfriamiento de decenas de miles de grados por segundo. Estas velocidadestan altas consiguen la vitrificación, lo que conlleva la no formación de hielo ala vez que la no deshidratación celular. Aún cuando esta técnica no es enprincipio aplicable a un órgano (dada la conductividad térmica finita de este),si que ha podido ser implementada en unos casos muy concretos,comprobándose la validez de dicha hipótesis. El ejemplo por antonomasia esel del S. Cerevisiae [F. Dumont et al., 2001]. En la Fig. 3 se muestra cómo avelocidades de enfriamiento del orden de 50.000 ºC/min se recobra de nuevoun alto porcentaje de supervivencia celular.

0

25

50

75

100

1º C/min 10º C/min 100º C/min 1000ºC/min

Glóbulos rojos

Embrionesratón

Polen

Célulasmadre

Célulasovario



PROCESO. 2 - 7

Figura 3. Resultados la supervivencia de S. Cerevisiae en función de lasdistintas velocidades de enriamiento. Se observa como, para muy altasvelocidades es posible llegar a impedir la formación de hielo mediantevitrificación.

Comprendidos, al menos cualitativamente, los mecanismos queacompañan el enfriamiento de una célula, el siguiente reto es intentaraprovechar este conocimiento para diseñar estrategias de conservación queeviten la formación de hielo, y la toxicidad y las deformaciones extremas. Lasestrategias diseñadas hasta la fecha y que han dado muy buen resultado enciertos casos notables (óvulos, esperma, piel, huesos, etc...) se basan en laadición de crioprotectores (anticongelantes). Su función es doble. Por un ladoal ser añadidos a la célula hacen que la solución interior esté más concentraday por tanto sea más difícil de congelar (principio de descenso del punto decongelación). Por otro lado, las sales intracelulares no estarán tanconcentradas, ya que ahora, además de estas, tendremos anticongelantesdisueltos y por tanto las concentraciones salinas no llegan a niveles tan tóxicoscomo si estos anticongelantes no estuvieran presentes.

0102030405060708090

100

supe

rviv

enci

a %

-5 -6-12

0-18

0-25

0-27

0-65

0-70

0-18

00-40

00-50

00-60

00

-1500

0-30

000

velocidad de enfriamiento (°C/min)



PROCESO. 2 - 8

El éxito del proceso de preservación en frío depende de la capacidadpara optimizar todos los parámetros puestos anteriormente de relieve: lavelocidad de enfriamiento, la concentración de crioprotectores, el tipo decrioprotector a utilizar, el tiempo de almacenamiento, la temperatura última dealmacenamiento, la forma de recuperación (recalentamiento), etc. Y para elloes fundamental explorar ciertos detalles relacionados tanto con la fisiologíacelular (permeabilidad al agua, a los crioprotectores, resistencia de lamembrana celular, control del tamaño de sus poros, etc...) como con laspropiedades físico-químicas de los crioprotectores (punto de congelación,viscosidad, toxicidad, etc...) .

La situación actual es que se ha podido preservar con éxito un conjuntoimportante de tipos de células aisladas, pero aún existen otras muchas en losque por desconocimiento de parámetros tan importantes como lapermeabilidad de la membrana, por ejemplo, los resultados son aún escasos.

En lo que se refiere a la conservación de tejidos y órganos, losprincipios de conservación en frío son los mismos que los aplicables al casode células aisladas. Sin embargo, desde el punto de vista técnico aparece unadificultad añadida que hace que esta empresa sea aún más complicada: el hieloextracelular. El hielo extracelular, del que nos despreocupábamos en el casode células aisladas, es ahora el principal problema. Estos cristales de hielohacen las veces de auténticas lanzas que al crecer van rompiendo y des-estructurando todo el tejido u órgano en cuestión, destruyéndoseirremisiblemente.

2.2. El proceso con 4 bombas.

2.2.1 Sistema de perfusión.

El sistema de perfusión controlada permite al experimentador saber ycontrolar en cada instante la temperatura del fluido que se le inyecta al órgano,así como la concentración de crioprotector. También se estará controlando elcaudal total que se le está inyectando al órgano en cada momento. El núcleobásico del sistema es una tarjeta conversora analógico-digital, en concreto elmodelo DT-331, de la serie DT-330 de Data Translation. La característicafundamental de esta tarjeta, que la hace especialmente indicada para nuestrospropósitos, son sus 4 canales de salida analógica con una resolución de 12 bitsdonde podremos obtener valores de tensión entre –10 y 10 V, según suconfiguración.



PROCESO. 2 - 9

Además la tarjeta de E/S cuenta con 32 canales I/O (digitales)agrupados en cuatro puertas de 8 bits cada una. Estos 4 canales podrán serutilizados para la lectura de dispositivos digitales (medidores o sensores detemperatura y caudal en este proyecto).

En la figura 4 se muestra una idea del esquema general del sistema deperfusión controlada.

Figura 4. Esquema general del sistema de perfusión controlada

El funcionamiento del sistema de perfusión es el siguiente:

• El experimentador proyecta el tipo de protocolo de preservación (o sea, latemperatura y la concentración de crioprotector en cada instante de laperfusión). Este se puede plasmar en un diagrama o gráfica que nos da elperfil o variaciones de la temperatura T, junto con la concentración [C], através del tiempo y para un caudal o flujo constante. Para ello se tiene dosposibilidades para introducir los datos. Así pues, se puede introducir losdatos mediante:

a) Una tabla.

0.5 M1 M

1.3 M1.5 M

0.1 M

TEMP

ERAT

URA

TIEMPO

37º C

-10º C 0 min 20 min

CONCENTRACIÓN DECRIOPROTECTOR

Tarjeta A/D ordenador

bombas

corazónMonitor ordenador sensores



PROCESO. 2 - 10

Se tiene una tabla de n filas por m columnas. Las n filas son todos lospuntos en el tiempo donde se va a hacer un muestreo y se puede cambiar lasalida. Las columnas son para la temperatura T, la concentración [C] ycada uno de los tiempos de muestreo. En cada punto habrá una T y una [C]determinada.

b) Una gráfica.Se tiene una gráfica con líneas rectas. Tan sólo se indican donde son los

puntos de cambio (es decir, en qué instante) de concentración o pendientede temperatura. A partir de la gráfica se obtiene la tabla.

• El fichero de texto es importado por un programa elaborado en HP-VEE6.0 (Hewlett Packard Visual Engineering Environment). Este programa leelos datos importados y genera una salida entre 0V y 10 V (DC) acorde conla temperatura T y la concentración [C] final que se quiera conseguir encada uno de los cuatro canales analógicos en cada instante de tiempo. Estaseñal de tensión continua variable entre 0 y 10 V, es la que controlará lasbombas peristálticas para que suministren más o menos caudal. Con dosbombas funcionando con dos baños iguales a distintas temperaturas,podemos controlar la temperatura de salida. Estas actúan como una bombaglobal de temperatura variable. Con dos bombas de temperatura variablecon distintos fluidos (realizadas cada una de ellas con dos bombas), yfijando la temperatura, se puede variar la concentración de dichassubstancias. Así el problema de conseguir nuestro tríptico queda resuelto.

• La señal de 0 a 10V (DC) (y 5 mA como mínimo) para cada bombaperistáltica es tratada convenientemente por algún procedimiento decontrol y regulación.

• Cada bomba peristáltica extrae el fluido contenido en cada uno de los 4baños térmicos. Estos se encuentran a –10º C (Crioprotector: PolietilenoGlicol al 50%), 1º C. (solución de Krebs-Henseleit), 37º C. (Crioprotector:Polietilenglicol al 50%) y 37º C (solución de Krebs-Henseleit). Estos bañosestán construidos de la siguiente manera. Los baños a 37º C están formadospor un único recipiente aislante (térmico) de unos 55 litros de capacidad,cerrado y lleno de agua. En dicho recipiente-termo se encuentra inmerso untermostato-calefactor, dos contenedores de vidrio (uno con crioprotector yotro con la solución de Krebs-Henseleit) y tres sondas térmicas (uno en elbaño y los otros dos dentro de los contenedores de vidrio). Los baños a –10º C y 1º C son similares al anterior. La diferencia fundamental es queahora hemos de usar dos recipientes aislantes (de 16 litros de capacidad



PROCESO. 2 - 11

cada uno), dos termostatos calefactores (uno en cada recipiente), y sendoscontenedores de vidrio. Los dos recipientes-termo se ubican dentro decongelador (marca Zanussi, modelo C-20), separado un grueso tabiqueaislante. En lugar de agua, el baño es llenado con una disolución deanticongelante comercial para evitar su congelación. Los termostatos sonnecesarios por un doble motivo: en primer lugar porque los baños están adiferente temperatura. En segundo lugar porque el termostato que tienenincorporado los congeladores comerciales tienen oscilaciones detemperatura por encima de los 3º C, algo fuera de nuestro objetivo deprecisión. Con la inclusión de los termostatos-calefactores podemosgarantizar (ya medido) oscilaciones por debajo de 0.1º C. Los termostatoscalefactores han sido realizados con un regulador de temperatura con unsensor NTC tipo todo o nada funcionando en el rango –10º C a 60º C, ycon resistencias para líquidos.

• Las cuatro salidas de las bombas se conectan a un único inyector, por elque saldrá una solución de crioprotector y Krebs a la temperatura yconcentración deseada en cada instante. Previamente cada una de lassalidas de las dos bombas que impulsan el Krebs se unen para obtener uncaudal determinado a una temperatura determinada de Krebs. Igualmenteocurre con el crioprotector.

• Para corregir cualquier perturbación tales como eventuales pérdidastérmicas, pérdida o aumento de presión antes del punto de confluencia enel inyector, etc., cada una de las salidas de las bombas llevan su sensorcorrespondiente de velocidad (tacómetro). La señal de estos sensores debeser convertida digitalmente e introducida a la tarjeta DT-331 a través dealguno de sus 32 canales I/O.

• El programa de ordenador hace las correcciones oportunas en función de lalectura recibida (salida) y la referencia en dicho instante, mandando denuevo la señal renormalizada para controlar a las bombas y cerrando así elbucle.

• Este mismo sistema de perfusión es utilizado en la fase de recalentamiento,para llevar el órgano desde el estado de almacenamiento en frío hasta los37º C., limpiando así de crioprotector al órgano a medida que vaaumentando la temperatura.

La figura 5 ilustra de una manera más clara las variables principalespara el control de nuestro sistema de perfusión.



PROCESO. 2 - 12

PROGRAMA CONTROL(HPVEE V6.0)

INICIO

MIENTRAS T<T1 ...

.....

FIN MIENTRAS

FIN

TARJETA DT 331

T1 T2

PROGRAMA

B12B11

F11 F12

B22B21

F21 F22

T, F1 T, F2

CRIOPROTECTORKREBS

INTERFAZ

B11B12B21B22

T, F

T1 T2

Figura 5. Proceso con 4 bombas

2.2.2 Sistema de almacenamiento.

El sistema de almacenamiento del órgano tras la perfusión se basa en lautilización de un baño térmico de características similares a los utilizados en laparte del sistema de perfusión. La temperatura de este baño térmico se fija a lamínima temperatura alcanzada en el proceso de perfusión. El órgano sesumerge en el fluido del baño envuelto en una bolsa hermética de PVC.



PROCESO. 2 - 13

2.2.3 Sistema de monitorización.

Para comprobar el grado de recuperación del órgano tras elalmacenamiento en frío y el posterior recalentamiento, se realizan dos tipos deprueba: de esfuerzo mecánico y de funcionamiento eléctrico

.1.- Para la prueba de esfuerzo mecánico el corazón se une por la parte inferiordel miocardio a un transductor de tensiones. Esta señal analógica estransformada en una señal digital mediante el sistema PowerLab.

2.- Para la medición del funcionamiento rico del corazón se utiliza unelectrocardiógrafo similar, mediante los canales restantes de PowerLab. Ellopermite almacenar los registros informáticamente para su posteriortratamiento.

2.2.4 Ensayo del sistema de perfusión, almacenamiento y monitorización.Experimento con corazones de rata.

En un primer grupo de experimento, se ensayará la máquina deperfusión con corazones de ratas. Se ha elegido la rata común como animal deensayo por su gran disponibilidad. El único inconveniente podría ser elreducido tamaño de este órgano, algo que puede ser aliviado con un poco depráctica y utilizando animales cuyo peso esté por encima de 400 g. De todasformas, también se puede hacer sobre conejos y sobre cerdos. El protocolo aseguir con ratas es el siguiente:

1.- El animal es anestesiado con 100 mg/kg de pentobarbital sódico.Todos los animales utilizados en nuestra experiencia serán tratados

según la normativa internacional vigente en materia tocante a animales delaboratorio. En particular según el texto “Guide for the Care and Use ofLaboratory Animals” elaborado por el “Institute of Laboratory AnimalResources” y publicado por el “National Institutes of Health” (NIHpublicación Nº. 86-23, revisado en 1985).

2.- Se anticoagula mediante la inyección en la femoral de heparina sódica al5% (Rovi, 5.000 U.I.)



PROCESO. 2 - 14

3.- Mediante una esternotomía media se extrae el corazón rápidamente,sumergiéndolo en una solución de Krerbs-Henseleit (composición de lasolución en milimoles por litro: NaCl 118.3, KCl 4.8, MgSO4 1.2, KH2PO41.2, CaCl2 2.5, NaHCO3 25.0, glucosa 11.0, 316 mOsm, pH 7.4 (Sigma)) a 4ºC.

4.- El corazón es conectado al sistema de perfusión canulado por la aorta ycontenido en una bolsa de PVC (Stemflex, modelo MSE 2204 DU) quepermite tanto la entrada por la aorta como la circulación exterior de lasolución (dentro de la bolsa) (modelo Langendorff modificado) gaseando concarbógeno (95% O2, 5% CO2) inicialmente a 37ºC, con un flujo de 5ml/min.Esta fase se mantiene durante 10 minutos (periodo de estabilización). Elcorazón es perfundido por el árbol coronario (se perfora el ventrículo paraevitar que este llene de solución) y además por su superficie exterior.

5.- Se inicia el proceso de criopreservación (mejor quizás llamarlopreservación en frío). De forma controlada se aumenta la concentración decrioprotector y se desciende la temperatura. Esta fase dura en torno a 20 min.,aunque el tiempo exacto es uno de los parámetros a obtenerexperimentalmente. Cuando se alcanza la temperatura y concentracióndeseadas (entorno a –5º C y 10 % de crioprotector) se introduce en un bañotérmico, que se encuentra a la misma temperatura que la mínima alcanzada enel proceso de perfusión y con la misma concentración de crioprotector que lamáxima alcanzada en dicho proceso de perfusión.

6.- Se procede a que el órgano esté durante un tiempo de almacenamiento de20 horas en estas condiciones.

7.- Se reperfunde el órgano, disminuyendo la concentración de crioprotectorhasta su eliminación y aumentando la temperatura hasta los 37º C. Esta fasedura también unos 20 minutos. Aunque este tiempo también será uno de losparámetros a modificar en cada conjunto de experimentos.

8.- El corazón es estabilizado a un ritmo cardiaco de 250 pulsaciones porsegundo (en el caso de la rata, ya que son sus pulsaciones casi normales).

9.- Se conecta al miocardio, por su extremo inferior, un transductor de tensión,y formando un triángulo con los tres electrodos del electrocardiógrafo digital.Se miden estos parámetros basales.



PROCESO. 2 - 15

10.- Se desconecta el corazón del sistema de perfusión, se extrae tejido delmiocardio y se realiza un análisis del tejido mediante microscopía electrónica.

11.- Se compara estadísticamente los resultados entre el grupo experimental yde control mediante una “t” de Student de dos extremos.

2.3. Proceso con dos bombas.

La realización de nuestro proceso mediante el control de dos bombasperistálticas, se debe más a razones económicas que técnicas. El coste de unabomba peristáltica normal está en torno de las doscientas mil pesetas, precioprohibitivo en estos albores del proyecto principal. El principal motivo de usareste tipo de bombas es su caudal constante (casi totalmente independiente dela presión de salida), su frecuente utilización y su fiabilidad, entre otrosmuchos.

El objetivo del proceso con dos bombas consiste en ir enfriando altiempo que se va aumentando la concentración de crioprotector (sabemos quea medida que vayamos enfriando podemos ir introduciendo una mayorconcentración de crioprotector, ya que a más baja temperatura menos tóxico sevuelve para las células).

En el caso que nos ocupa (con dos bombas), las variables principales denuestro sistema T y [C], temperatura y concentración, estarán acopladas.Utilizaremos dos baños, uno a 37 ºC de Krebs y otro a la temperatura de –10ºC con la concentración de crioprotector necesaria para que la disolución no secongele. Además usaremos un crioprotector cuya curva de toxicidad con latemperatura esté por debajo siempre de nuestro perfil de T / [C] / t. Tenemosque tener en cuenta que se trata de un primer prototipo y de que sólodisponemos de dos bombas peristálticas.

El control es por programa almacenado, esto implica que se realiza enbucle abierto. El coste de los sensores y su montaje, así como del tiempodisponible nos han forzado a esta solución. Las continuas calibraciones de lossubsistemas implican un costo de tiempo y recursos elevado, peroimprescindible para comprobar el buen estado y funcionamiento correcto delsistema.

La idea del sistema de perfusión con los distintos baños térmicos esrelativamente simple. Por esto y por realizar un control multivariable sobre un



PROCESO. 2 - 16

sistema de perfusión basado en un control de un motor de c.c. por tensión delinducido del que se han hecho muchos estudios y logros, lo hacen idóneo paraarrancar con la parte experimental del proyecto principal de preservación deórganos en frío.

2.4. Equipo auxiliar.

Existe un conjunto de elementos o equipos que podríamos llamarlesauxiliares, pero que son totalmente necesarios para la consecución del procesode perfusión. Además de los expuestos, podríamos incluir otros equipos quepodríamos llamarles complementarios, que serían todos los sistemas y equiposde medida, como por ejemplo el electrocardiograma, que nos ayudan a mediry verificar si hemos conseguido nuestro objetivo.

2.4.1 Eliminador de burbujas.

Es muy importante excluir cualquier burbuja de aire dentro del sistemade perfusión. Para ello, se proponen dos métodos. El primero consiste enutilizar un tubo invertido localizado en línea con el medio de perfusión yconectado a una pieza en T. El tubo se llena con el líquido a perfundir. Lasburbujas de aire se desplazan a este tubo y según progresa el experimento, elnivel de la solución en la trampa se reduce así. El segundo método implicausar una cánula de tres brazos con un diafragma de goma insertado sobre elbrazo superior. El aire sale a través de una fina aguja insertada en eldiafragma. Esta aguja nos puede servir posteriormente como vía desuministro.

2.4.2 Baños de temperatura.

Existen cuatro baños. Dos para el Krebs y otros dos para elcrioprotector. El hecho de existir dos para cada tipo de fluido se debe a quedeberán estar a temperatura distintas T1 y T2. Así podremos tener cada uno dedichos fluido a una temperatura T, tal que T1>T>T2 dependiendo de nuestrasnecesidades. Todos ellos están regulados mediante termostatos calefactores.

Los termostatos calefactores han sido realizados con un regulador detemperatura con un sensor NTC tipo todo o nada funcionando en el rango –10ºC a 60º C., y con resistencias para líquidos. Los termostatos son salidas a relé



PROCESO. 2 - 17

y cuando la temperatura disminuya en 0.1ºC por debajo de la seleccionadamediante potenciómetro de ajuste, activarán la salida. Igualmente cuando latemperatura aumente en 0.1º C respecto a la seleccionada, se desconectará lasalida. Previamente hay que calibrar la temperatura de control.

2.4.3 Agitadores.

Se usan los agitadores o mezcladores para revolver líquidos con ciertavelocidad con el fin de acelerar los procesos de mezcla y disolución, así comopara homogeneizar las características físico-químicas de la muestra.

Dentro de los baños de temperatura conviene que todo el baño seencuentre a la misma temperatura, para ello se homogeneiza la temperaturadel fluido mediante el movimiento de líquido por medio de una bomba de 220V., y sumergible que está siempre en funcionamiento.

Dentro de las tuberías, en principio, la cantidad de líquido es tanpequeña que debe de quedar homogeneizada a la misma temperatura, por loque no haría falta de ningún tipo de agitador especial.

2.4.4 Sistema de tuberías.

La forma de llevar o mover el fluido a través de nuestro sistema deperfusión es por medio de un sistema o red de tuberías. Estas son normalmentede plástico, aunque existen también otros materiales tales como gomas,siliconas, etc.

Para trabajar dentro de las bombas peristálticas es imprescindible tubosde silicona que recuperan rápidamente su elasticidad, con lo que pueden servirpara el uso peristáltico o de impulsión por contracción. Los sistemas deperfusión están tan generalizados que existen tubos de distintos tamaños ytipos en el mercado, algunos de ellos especialmente diseñados para este tipode aplicaciones.

Aparte de las tuberías en sí, existe una gran cantidad de accesorios parael sistema de tuberías tales como agujas, cánulas, piezas en T, diafragmas degoma, etc.



PROCESO. 2 - 18

2.5. Cálculos realizados.

T1 T2

B12 B11

F11 F12

T1 T2

B22 B21

F21 F22

T, F1 T, F2

CRIOPROTECTORKREBS

T, F

C1

C2

C3

C4

T2>=T>=T1F1=F11+F12F2=F21+F22

F1+F2=F=Constante o fijado

t

T

T1

T2

P

tp

T

t1t0=0 t2 t3 t4 Figura 6. Proceso y diagramas de perfiles

En la figura se observa que cualquier punto P nos indica para un tiempot cualquiera, qué temperatura T y qué concentración [C] queremos obtener.

Para ello, sabiendo la concentración en dicho punto P, [C](P) y fijado elcaudal o flujo total F, es fácil calcular F1 y F2, mediante la ecuación (1).

Teniendo las relaciones que nos ligan una temperatura determinada T deun fluido a partir de la proporción entre dos caudales Fa y Fb con temperaturasdistintas Ta y Tb, podemos obtener los flujos relativos o proporción de Fa y



PROCESO. 2 - 19

Fb (Fa/Fb). Como sabemos el caudal total Fa+Fb, podemos calcular loscaudales Fa y Fb. Esto lo realizamos por dos veces. A partir del caudal totalF1, calculamos los caudales F11 y F12 para dar una temperatura T. También apartir del caudal total F2, calculamos los caudales F21 y F22 para dar lamisma temperatura T.

Con el sistema de ecuaciones que seguidamente se indica, se puedencalcular los caudales necesarios en cada una de las bombas para conseguir uncaudal o concentración a una temperatura determinada. Fijando F y T se tieneun sistema de 6 ecuaciones con 6 incógnitas (F1, F2, F11, F12, F21, F22), quese resuelve fácilmente. El problema será encontrar las funciones f( ) en lasecuaciones (4) y (5) que nos relacionen los caudales con la temperatura.

(1): F = F1 + F2;(2): F1 = F11 + F12;(3): F2 = F21 + F22;(4): T(1) = f(F11) + f(F12).(5): T(2) = f(F21) + f(F22).(6): T = T(1) = T(2).

Así pues, una vez calculados F11, F12, F21 Y F22 (los caudales de cadabomba debe suministrar), mediante la función de transferencia caudal-tensiónpara cada una de las bombas (para nuestras bombas peristálticas serávelocidad-tensión, ya que la velocidad de giro del motor de c.c., es unamedida indirecta del caudal que está suministrando la bomba), sabremos quéalimentación tenemos que suministrar a cada motor.

Todo este proceso de cálculo se realiza por medio de programación enHPVEE y es parte del motivo de otro proyecto fin de carrera, por lo que sólolo hemos querido comentar.



CONTROL DEL PROCESO. 3 - 1

3.1. Bucle abierto – cerrado.

Los sistemas de control automático se pueden clasificar en dos grandesgrupos:

a) De lazo abierto o bucle abierto (open-loop).

A estos sistemas, se le aplica una señal de entrada o de control, la cualnormalmente se amplifica para obtener a la salida alguna forma determinadade potencia. La salida puede sufrir variaciones debidas a perturbaciones eincertidumbres en el sistema. Un buen calibrado y el funcionamiento delsistema con las mismas condiciones aseguran o no el éxito del control.

Figura 1. Bucle abierto.

b) De lazo cerrado o bucle cerrado (closed-loop).

Aquí, la salida real se mide y una señal correspondiente a esta medidarealimenta al dispositivo de entrada, donde se compara con la señal de entradao referencia. Esto es, existe una detección del error que se utiliza paracontrolar el sistema en vez de una señal de entrada calibrada.

3. CONTROL DEL PROCESO.

ControladorEntradar

Motor odispositivode potencia

Salida yCarga

BUCLE ABIERTO(Diagrama de bloques de un sistema en b.a.)

u




Figura 2. Bucle cerrado.

Para nuestro sistema, la operación en bucle cerrado consiste en ir midiendoperiódicamente (con un tiempo de muestreo adecuado), las velocidades(medida indirecta del caudal) de los motores y las temperaturas de la mezclasreales, comparando estos datos con las referencias, y actuando en función delas discrepancias.

Los captadores o sensores pueden ser analógicos o digitales, según elmétodo de medida empleado. La transmisión de señales se haceeléctricamente por tensión continua analógica. Así para la medida de lavelocidad (caudal) se utiliza un tacómetro que da una tensión mayor encontinua a medida que aumenta la velocidad del eje del motor. Para la medidade la temperatura se usa un termómetro digital con salida en continua. Asípues, todos los sensores necesitarán de un A/D para poder la tarjeta DT331recibir las medidas por sus puertos digitales y con la ayuda de un multiplexorpodremos tener más sensores y actuadores acoplados a nuestra tarjeta de E/S.

Los sistemas de control en bucle cerrado se pueden clasificar de acuerdo acómo utilizan la señal:- Controladores conexión-desconexión. (Control bang-bang).El error se utiliza para conectar o desconectar la potencia de salida. Loutilizamos en el control termostático de temperatura de los baños de Krebs ycrioprotector.- Controladores por pasos o por incrementos.

ControladorMotor o

dispositivode potencia

Salida yCarga

BUCLE CERRADO(Diagrama de bloques de un servomecanismo)

Detector deerror

Referenciar

uError ε

Dispositivode medida de

la salida

+

_




Combinando el control de conexión-desconexión con uno o más mecanismosde tiempo.- Servomecanismos.Son aquellos sistemas de control de lazo cerrado que miden la salida, lacomparan con la referencia y utilizan el error continuamente para controlar lamagnitud y dirección de la potencia aplicada a la salida.

El control en bucle abierto (que es como hemos realizado este primerprototipo del sistema) tiene una serie de ventajas e inconvenientes. Vamos aexponerlas de forma concisa y breve. Tenemos pues que:

- La construcción y mantenimiento del sistema en bucle abierto es más fácily barato que en bucle cerrado.

- En bucle abierto no existe el problema de estabilidad que pudiera aparecercuando se realimente o cierre el bucle.

- El sistema en bucle abierto se utiliza normalmente cuando no es posiblemedir las salidas. También es utilizado cuando no es factible hacerlo enbucle cerrado por impedimentos económicos.

- En bucle abierto, hay que estar constantemente calibrando el sistema. Estedioso y se pierde mucho tiempo con estas calibraciones periódicas.

- En bucle abierto, las perturbaciones y cambios en la calibración, provocanerrores.

3.2. Diseño de un sistema de control.

Para diseñar un sistema de control se pueden seguir los siguientes pasos:- Estudio del sistema a controlar y obtención de la información inicial sobre

los objetivos del control.- Modelar el sistema y simplificarlo si fuera necesario.- Analizar el modelo resultante y determinar sus propiedades.- Decidir qué variables tienen que ser controladas (salidas a controlar).- Decidir qué sensores y actuadores se van a utilizar y dónde se van a

colocar.- Elegir la configuración de control.- Decidir el tipo de controlador.




- Decidir las especificaciones del comportamiento, basándonos en losobjetivos generales del control.

- Diseñar el controlador.- Analizar los resultados del sistema controlado para ver si se cumplen las

especificaciones; si no se cumplieran, modificar las especificaciones o eltipo de controlador.

- Simular el sistema controlado resultante, bien en una computadora o bienen una planta piloto.

- Si fuese necesario, modelar el sistema mejor y empezar de nuevo.- Elegir el hardware y el software necesario e implementar el controlador.- Probar y validar el sistema de control, y afinar el controlador en línea, si

fuese necesario.

3.2.1 Diagrama del proceso.

Es un dibujo del esquema del proceso con toda la instrumentación queaparece. Para ello se emplean las normas ISA S5.1 para la identificación deinstrumentos. Se identifica a cada instrumento mediante unas letras ynúmeros. Las letras indican el tipo de instrumento y los números identifican ellazo o bucle en el que está dicho instrumento.

Los tipos de sensores que se necesitaremos serán para las dos variablesque tenemos que medir (temperatura y caudal). A modo de esquema resumense enumeran los tipos de sensores que existen para cada magnitud.

• Sensores de Temperatura.

Termómetros de dilatación:- T. De vidrio.- T. De bulbo.- T. Bimetálicos.Termómetros sensibles a la resistencia:- T. De resistencia metálica. (PT100).- Termistores. (NTC, PTC).Termopares.Método sin contacto:- Pirómetros ópticos.- Pirómetros de radiación total.- Pirómetro de dos colores.

La elección de uno u otro será función de sus características y precio.




• Medidores de caudal.

Existen muchos tipos basados en distintas propiedades físicas. Los másextendidos son los de presión diferencial.

Medidores de presión diferencial:- Placa orificio.- Tubo Venturi.- Tubo Pitot.- Medidores de impacto.Medidores de velocidad:- Medidor de turbina.- Medidor electromagnético.- Medidor Vortex.- Rotámetro.- Medidor de ultrasonidos.Medidores másicos:- Medidor másico térmico.- Medidor de Coriolis.Medidores volumétricos:- Medidor de desplazamiento positivo.

Los sensores y actuadores que se han utilizado son los siguientes:

• Detectores de velocidad eléctrico: Tacómetro.

Es un dispositivo electromagnético (alternador o dinamo) cuya medida dela velocidad del eje del motor está relacionada con la tensión que produce.Está formado por un imán permanente, y un devanado de inducido donde seproduce una tensión proporcional a la velocidad de giro, siendo esta constantede proporcionalidad su principal característica. Cuando se utilizan en cc sedeben normalmente añadir unidades de filtrado para minimizar el ruidoproducido en la conmutación del colector. Este sensor hace las funciones decaudalímetro en las bombas peristálticas .

• Sensores de temperatura: Termistores.

En los termistores (resistencias especiales de semiconductor: NTC ó PTC),la resistividad tiene grandes variaciones en función de la temperatura. En lasNTC o resistencias de coeficiente de temperatura negativo, su resistencia




eléctrica puede variar con un coeficiente igual a mil. Así que con las NTCpueden realizarse sondas muy económicas y eficientes en las cuales lavariación pequeña de temperatura, produce una gran variación de la magnitudeléctrica (gran sensibilidad). Por ello se pueden usar sin ninguna amplificaciónespecial. La corriente que circula por el termistor está en función de sutemperatura y de la tensión aplicada. Esto implica utilizar una fuente reguladade tensión constante, para que las variaciones de resistencia dependanexclusivamente del parámetro que nos interesa, es decir, de la temperatura. Alser la resistencia independiente del sentido en que circula la corriente, sepueden usar para circuitos tanto de c.c, como de c.a.

• Servomotores.

Se emplean cuando se precisan de aceleraciones rápidas desde posicionesde reposo o próximas. Esto implica que son motores con un alto par dearranque y baja inercia. El motor eléctrico normal no posee ambascaracterísticas, aunque los nuevos diseños de motores van en esta línea. Losservomotores se consiguen mediante arrollamientos o bobinas decompensación, partes móviles únicamente con los conductores del inducido,reducción del diámetro del inducido, aumento de la longitud axial delinducido, etc.

El problema de la inercia se resuelve con el diseño, pero se debe resolverjunto con tener un gran par de arranque. Así lo que importa es una buenarelación entre su par y su inercia.

En un sistema de control automático, el componente motriz (caso de unamotor) es el encargado normalmente de suministrar la potencia a la carga.Para algunos tipos de servosistemas los motores eléctricos normales sonaceptables y ser prefieren los de c.c. (ya que son más ligeros y tienen mayorpar de arranque a igualdad de potencia), sobre todo si no se requiererespuestas de alta velocidad, es decir, si no se requiere aceleracionesexcesivamente altas.

En los motores con inductor de imán permanente se debe tener algúncuidado para evitar fuertes sobrecargas o picos altos de la corriente delinducido, ya que podría darse el caso de que estas corrientes desmagneticen elimán permanente y debilitando por tanto el campo inductor.




3.2.2 Modelo de un motor de c.c.

La regulación de velocidad de un motor de c.c. con excitaciónindependiente tiene por objeto mantener la velocidad del motor a un nivel dereferencia previamente fijado, con unos límites de tolerancia tan estrechoscomo sea posible frente a cambios en la carga o en los parámetros del modelo.

Para servomotores de c.c. controlados por el inducido tenemos que enrégimen de marcha verifican las siguientes ecuaciones:

V = E + Ia · Ra (Ecuación para un motor).

V = tensión en bornes del devanado del inducido.E = fuerza contraelectromotriz inducida.Ia = la corriente del inducido.Ra = la resistencia del devanado inducido.La = coeficiente de autoinducción del inducido.J = momento de inercia de la carga acoplada al eje.F = coeficiente de fricción viscosa.T = par motor.

E = K1 · w;

La tensión inducida depende de la velocidad del motor.

T = K2 · Ia;

El par desarrollado es proporcional a la corriente del inducido (despreciandola reacción del inducido principalmente).

V = K1 · w + (T · Ra / K2);

T = (V – K1 · w)) · K2 / Ra;

De la ecuación anterior, se obtiene la curva del par motor en función de lavelocidad de éste.

a) Con f despreciable.

El propio par T es función de las condiciones de funcionamiento, peroal considerar una fricción despreciable, el motor solamente necesita




suministrar el par para equilibrar los efectos de la inercia. El par de equilibriosería:

T = J · dw/dt;

Ia = (J/K2) · (dw/dt);

V = (J/K2) · (dw/dt) · Ra + K1 · w;

Transformando por Laplace:

V = (s · (J/K2) · Ra + K1) · W

De donde, la función de transferencia:

K·G(s) = W/V = 1 / (s · (J/K2) · Ra + K1) = (1 / K1) / (s · Ct + 1);

Donde Ct = (J · Ra) / (K1 · K2) es la constante de tiempo del motor.

La dimensión de Ct es de tiempo (segundos) y es el tiempo requeridopara que la velocidad del motor alcance el 63 % de su valor final cuando se lealimenta con una fuente de tensión constante, es decir, al aplicarle un escalón.

Como se observa, se puede considerar que la función de transferencia esde primer orden con respecto a la velocidad.

b) Sin despreciar f.

Si consideramos la fricción f, entonces la ecuación mecánica querelaciona el par y la velocidad es:

T = J · (dw/dt) + f · w;

Si la carga mecánica es lo suficientemente elevada, podemos despreciarel efecto de L y obtener aproximadamente el valor de Ia.

Operando y aplicando la transformada de Laplace llegamos a:

W/V = w(s) / v(s) = (k2 / (Ra·f + k1·k2) / ((Ra·J·s)/(Ra·f+k1·k2)) + 1;




Aquí también se puede considerar que la función de transferencia es deprimer orden con respecto a la velocidad.

Aunque estos modelos son una simplificación de la realidad, son válidospara su utilización en la síntesis de leyes de control en muchas aplicaciones.En el motor de c.c. existen zonas muertas e histéresis, cuya consideraciónresulta de gran interés para el diseño e implantación del controlador.

Estas curvas indican que el motor es equivalente a un dispositivo queproduce un par constante en todas las velocidades, acoplado a unamortiguamiento de fricción viscosa que requiere un par de arrastreproporcional a la velocidad. Así, proporciona una cierta cantidad deamortiguamiento que hace que mejore la estabilidad del sistema a costa de queel par disponible se reduzca a velocidades altas. Estas curvas son ideales yaque la reacción del inducido no ha sido tenida en cuenta en las ecuaciones, nila bajísima fricción en los rodamientos y escobillas de tipo viscoso y decoulomb que hace que disminuya algo el par en todas las velocidades y en lamisma cantidad.

Con el control del inducido, el motor tiene un retardo de tiempopequeño porque la inductancia del inducido es pequeña (gracias a losarrollamientos de compensación) y el par se puede hacer muy grande (concorrientes transitorias de varias veces la nominal). Estos dos factores hacenque sea de una respuesta muy rápida.

El control por inducido requiere grandes variaciones de corriente y depotencia del dispositivo de control a un nivel de baja impedancia, por lo quelos dispositivos semiconductores son idóneos.

3.3. Control.

3.3.1 Introducción

El presente epígrafe de este capítulo trata de reflejar una metodología detrabajo para el modelado de sistemas y el posterior diseño de controladoresmediante técnicas básicas. Nos centraremos en un sistema sobre el que sedesarrollará el método, constatando así cómo hay ciertas consideraciones decarácter práctico que es necesario tener en cuenta a la hora de aplicar a lateoría. Dicho de otro modo, el diseño sobre el papel no es más que un primer




paso, el conocimiento real de un sistema (el modelo del sistema) esimprescindible para que los resultados puedan parecerse a los deseados, yaque éste permitirá efectuar sobre los resultados teóricos las correccionesoportunas para reducir las divergencias motivadas por ciertos parámetros queno se tienen en cuenta a la hora de modelar el sistema o bien porcaracterísticas propias de los equipos empleados.

3.3.2 El sistema.

Como sistema se emplea el necesario motor de CC para una bombaperistáltica, con una reductora acoplada a su eje en uno de los motores (existetambién otro tipo de motor sin reductora alguna). Un sensor de velocidad (untacómetro) acoplado al eje de salida del motor nos permitiría conocer lavelocidad del mismo proporcionando una tensión que es función de la misma.De modo similar, un sensor de posición acoplado al eje de salida de lareductora nos permite conocer la posición del mismo (esto en sólo una de lasbombas y por medio de un encoder incremental). La tensión aplicada al motores la actuación sobre el sistema. Hay que tener en cuenta que el motor, al tenerque vencer rozamientos, posee una zona muerta, es decir, no presenta unacaracterística lineal. Otra fuente de no-linealidad que presenta el sistema esuna saturación en la entrada de actuación.

Como controlador emplearemos un ordenador (un PC) dotado connuestra tarjeta de adquisición de datos DT331. Ésta nos permite adquirirseñales desde el exterior (de tipo digital) y generar señales hacia el mismo (detipo analógico). De este modo, las señales proporcionadas por los sensores develocidad y posición se aplicarían a entradas de la tarjeta de adquisición dedatos y, mediante alguna de las salidas analógica de la misma, generaremos laseñal de control con la que excitaremos al motor de la bomba en cuestión.

Una característica de la tarjeta de adquisición de datos es que tiene unosrangos de trabajo regulables por software entre las tensiones de ±10V yademás, es incapaz de proporcionar potencia, por lo que no podrá excitardirectamente los devanados de nuestros motores. Por estos dos motivostendremos que incluir unos elementos para adaptar las señales. Los sensoresproporcionan una tensión que oscilarán entre ciertos rangos de valores, por loque debemos reducirla o amplificarla mediante unos divisores de tensión obien adaptarla mediante su amplificación con una amplificador operacional.Para el caso de la actuación, debemos emplear un amplificador capaz deexcitar al motor a partir de la señal ofrecida por la tarjeta de adquisición. El




sistema de amplificación poseerá un ajuste de ganancia, que definirá el valorde entrada para el que se producirá la saturación. Nuestros motores, alfuncionar sólo en el primer cuadrante (girará en un único sentido y ademássiempre funcionando como carga), no necesitará de un ajuste de offset cuyafunción sería conseguir que el comportamiento del motor fuera el mismo enlos dos cuadrantes de funcionamiento posibles (el motor siempre como carga,girando en un sentido o en el sentido contrario).

Figura 3.Circuito para

sensoresanalógicos.

Con losajustes

realizados, elsistema

presenta unazona muertahasta +3V ysatura con

actuacionesmayores de+15V .

A) Caracterización temporal.

Para efectuar la caracterización temporal de la planta (considerando lavelocidad como la variable de salida, pues la velocidad y el caudal estáníntimamente relacionadas en una bomba peristáltica), se asumirá que sumodelo puede ser aproximado por un modelo de 1er orden. Con ello se asociaa la planta un modelo lineal, lo que nunca será cierto en la práctica. Para teneresto en cuenta en la medida de lo posible, se caracterizaría a la planta en tornoa varios puntos de funcionamiento, obteniendo los parámetroscorrespondientes en cada uno de ellos y se hará la media. Por ejemplo, sepuede someter a la planta a cinco escalones progresivos de valores 3, 6, 9, 12y 15 V. La idea es, para cada escalón, ir obteniendo los valores de K y τ,considerando como parámetro para la planta la media de estos valores. Alhacer la media desecharemos los valores correspondientes al primer escalóndado que estarán afectados por la zona muerta que presenta el sistema.

5 V

5 V

Salida sensor

A puerto de la DT331

R1

10 KOhm

R312 KOhm

R1

10KOhm

R322 KOhm

R410 KOhm

C110 nF

C1150 pF

R410 KOhm

U2

ADC0801

1817161514131211

1235

6

7

19

4

9

8

DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7

CSRDWRINTR

VI+

VI-

CLKR

CLK

VREF

AGND

U1C

LM32410

9

411

8+

-

V+V-

OUT

U1B

LM324

5

6

411

7

+

-

V+V-

OUT

U1A

LM324

3

2

411

1

+

-

V+V-

OUT




Conocido el modelo del sistema desde el punto de vista de la velocidadpodemos obtener el modelo considerando la velocidad como variable acontrolar. También se podría considerar la posición, en este caso se haríaconsiderando que la posición se obtiene al integrar la velocidad. Además, elelemento medidor de posición introduciría cierta constante, lo que deberátenerse en cuenta. Así, los modelos que buscamos responden a la forma:

Estos modelos serían para la velocidad y la posición respectivamente.

Mediante un programa en HPVEE y la tarjeta de adquisición de datosDT331 realizaríamos la excitación del sistema y la toma de datos de formaautomática. La caracterización la efectuaríamos a partir de dos ficheros dedatos obtenidos en dos experimentos distintos. La conexión a la tarjeta deadquisición de datos de la señal de posición introducía ruidos en la señal demedida de velocidad. Así, en un primer experimento se tomarían las medidasde la señal de excitación y la de velocidad y en el segundo experimento, la dela posición. Para estas pruebas se deberían fijar con un intervalo de muestreolo suficientemente pequeño, esto es, con tiempos diez veces al menos laconstante de tiempo. Como dato podría valer 0.025 segundos. Los datos sealmacenarían en dos ficheros o archivos temporal.m y tempo.m. Se disponede una rutina en Matlab (modelo_temp.m) que extrae los datos de estosficheros y efectúa las siguientes acciones:

• Filtra la señal adquirida para eliminar el ruido de alta frecuencia.• Hace una representación de las variables.• Averigua el número de escalones que hemos dado (definiendo la

amplitud como los instantes de tiempo en que se producen).• Averigua el valor del régimen permanente de la respuesta para cada uno

de los escalones.• Averigua en instante en que, para cada escalón de entrada, la salida

alcanza el 66% de su régimen permanente correspondiente (en esteinstante han transcurrido una vez la constante de tiempo τ).

Sk

SkG

SkG

s

s

21)(

1)(

1

1

⋅+

=

+=

τ

τ




• Con los datos obtenidos se calculan las constantes K y τ para cadaescalón de entrada.

• Se calculan los valores medios de K y τ desechando loscorrespondientes al primer escalón.

• Analiza la respuesta de posición para obtener el valor de K2.

Posteriormente se puede centrar uno en el estudio del sistema en trespuntos de trabajo más concretos y la rutina nos ofrece también los valores deK y τ para estos escalones, nombrándolos como:

• tau_zona_baja,k_zona_baja:Parámetros correspondientes al escalón de 2 V• tau_zona_media,k_zona_media:Parámetros correspondientes al escalón de 2.5 V• tau_zona_alta,k_zona_alta:Parámetros correspondientes al escalón de 3 V• tau_nom,k_nom:Medias de los tres puntos anteriores

Realmente están realizados para 2, 2.5 y 3 V., pero son fácilmenteadaptables a 6, 9 y 12 V.

Como hemos apuntado, esta rutina efectúa el filtrado de la respuesta delsistema. El filtrado no es más que un suavizado. Para calcular un punto de laseñal suavizada se efectúa el promediado de 9 puntos en torno al quequeremos calcular. La función tiene por nombre filtro.m.

Valga como ejemplo que con estas funciones se podrían obtener lossiguientes

resultados:

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5




Figura 4. Ejemplo de respuesta ante una señal en escalón.

tau = 0.9750 0.9750 0.9000 0.8500 1.2500tau_med = 0.9938K = 0.3744 1.3998 1.1117 1.0189 1.0075K_med = 1.1345tau_zona_baja = 0.9750tau_zona_media = 0.9000tau_zona_alta = 0.8500K_zona_baja = 1.3998K_zona_media = 1.1117K_zona_alta = 1.0189tau_nom = 0.9083K_nom = 1.1768k = 5.1247

B) Caracterización frecuencial.

Vamos a obtener el diagrama de Bode del sistema. Para ello vamos aexcitar al sistema con señales senoidales de distintas frecuencias y medir laganancia y fase de la respuesta para las distintas frecuencias. Como sabemosque el polo está prácticamente en 1 rad/s trabajaremos en el rango defrecuencias 0.1-2 rad/s. Además, tal como apuntamos anteriormente, vamos acaracterizar al sistema en torno a tres puntos de trabajo, zona baja, con un




nivel de continua de 7 V, zona media, con un nivel de continua de 10 V y zonaalta, con un nivel de continua de 13 V. Así, obtendremos tres diagramas deBode distintos para cada una de estas zonas de funcionamiento.

Para cada zona de trabajo se pueden efectuar por ejemplo 7 pruebas afrecuencias: 0.1, 0.5, 0.7, 0.8, 1, 1.2 y 1.5 rad/s. De cada prueba obtenemos unfichero con los datos. Es decir, obtendremos 21 ficheros:

B01.m B05.m B07.m B08.mB1.m B12.m B15.m Para la zona bajaM01.m M05.m M07.m M08.mM1.m M12.m M15.m Para la zona mediaA01.m A05.m A07.m A08.mA1.m A12.m A15.m Para la zona alta

Para todas las pruebas se puede emplear un periodo de muestreo de0.025 segundos. Después de esto se pueden representar los contenidos de cadauno de los ficheros, analizarlos uno a uno, y obtener los valores de ganancia yfase. Con ello podríamos efectuar posteriormente la representación de losmismos (Bode). Esto mismo se puede realizar de una forma automatizadamediante unas funciones en Matlab. La primera de las funciones se denominabode2.m (se ha llamado bode2.m por existir ya una función en Matlabllamada bode.m). Esta función realiza las siguientes acciones:

• Para cada uno de los ficheros correspondiente a una zona de trabajodeterminada, evalúa su contenido (valores de u e yv), filtra la respuestadel sistema (mediante una llamada a la función anteriormente descrita)y obtiene el valor de ganancia y fase correspondiente a esa frecuenciamediante el uso de una función llamada calculin.m.

• Forma un vector con los valores de ganancia y fase de todos los puntosde una misma zona de trabajo.

• Representa los vectores obtenidos. Este es el diagrama de Bode.• Este proceso es efectuado para las tres zonas de trabajo.• Finalmente, la rutina dibuja, superpuesta a los diagramas de Bode

anteriores, el correspondiente al sistema nominal calculado según losdatos obtenidos mediante la rutina de caracterización temporal.

• Finalmente almacena las variables del workspace que serán de utilidadpara la determinación de las incertidumbres.




Ahora vamos a intentar explicar los entresijos de la rutina calculin.m.Esta rutina recibe como datos de entrada un vector de u, otro de yv (respuesta)y el valor del intervalo de muestreo. Con estos datos hace lo siguiente:

• Evalúa el valor final de u. Recorre el vector de u desde el final haciaatrás hasta que encuentra dos veces al valor final (en este puntohabremos recorrido un ciclo completo de la señal). Averigua el instantecorrespondiente al inicio de ese último ciclo. Obtiene los valores depico (máximo y mínimo) y los instantes correspondientes. Forma unnuevo vector que contiene únicamente al último ciclo (el resto devalores los rellena con un valor constante igual a la media del máximo yel mínimo).Calcula el valor de continua y se lo resta, con lo que elvector contiene un ciclo de señal sobre un nivel de continua nulo.

• Dado que conocemos cuánto dura un ciclo de u y dado que un ciclo deyv dura lo mismo, conociendo el momento en que comienza el últimociclo de u sabemos también el instante de comienzo del último ciclo deyv (obviamente es el mismo instante) Así, podemos aislar el últimociclo de yv de igual modo que lo hicimos con u. De la misma manera,formamos un nuevo vector con el último ciclo y averiguamos susvalores máximo y mínimo y sus tiempos correspondientes.

• Con los valores máximos y mínimos de u e yv y sus tiempos de pasopor cero es fácil calcular la ganancia y el desfase entre ambas señales.Además, con el tiempo que dura el ciclo podemos calcular la frecuenciade trabajo.

A continuación se muestra el resultado de procesar un fichero de datos.En esta figura se muestra el contenido original (a la derecha) y el resultado delprocesado (izquierda). En azul se representa la señal de control, u, y en rojo, larespuesta del sistema.

0 200 400 600 800-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 200 400 600 800-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4




Figura 5. Calculo de la ganancia y el desfase.

Con el uso de estas rutinas se pueden obtener los siguientes resultados:

desfase_B = -5.1592 -16.8526 -22.1229 -25.2229 -27.8571 -32.5714 -38.5714

A_B = 0.9746 0.3842 -0.2225 -0.2857 -0.3956 -0.9167 -1.6828

desfase_M = -5.1592 -16.1355 -21.1173 -24.6497 -32.1429 -35.1429 -43.9286

A_M = 0.3752 -0.2967 -0.9181 -1.1329 -1.4818 -2.0492 -2.9640

desfase_A = -4.8726 -19.7211 -26.1453 -28.6624 -35.7143 -40.2857 -48.2143

A_A = -0.0309 -0.8763 -1.3862 -1.5918 -2.0431 -2.7365 -3.6178




10-1

100

101

-4

-3

-2

-1

0

1

10-1

100

101

-50

-40

-30

-20

-10

0

Figura 6. Calculo del Diagrama de Bode.

C) Incertidumbres.

Ya que con los métodos y herramientas anteriores se pueden conocer elmodelo del sistema nominal y los modelos de la planta en torno a tres puntosde trabajo, se puede ahora obtener las incertidumbres que presenta el modelonominal respecto a cada una de las tres plantas reales. Para ello se puedenemplear incertidumbres multiplicativas, es decir, el modelo de lasincertidumbres lo obtendremos según:

Donde G representa el modelo de la planta real y Gn el de la plantanominal. Teniendo en cuenta que los diagramas de Bode de las distintasplantas los tenemos definidos por puntos podremos obtener los modelos deincertidumbre también punto a punto, de aquí el empleo del subíndice i en la

)(

)()()(

ij

ijijij Gn

GnGEm

ϖ

ϖϖϖ

−=




ecuación anterior. Hay que tener en cuenta que esta expresión requiere de laexpresión compleja de los modelos de las plantas.

Se dispone de una rutina en Matlab que obtiene y representa losmodelos de incertidumbre multiplicativa de la planta nominal respecto a lastres plantas reales con las que hemos trabajado. Para ello se parte delworkspace salvado en la rutina bode2.m. Además de los tres modelos deincertidumbre, la rutina define un modelo de incertidumbres máximoconstruido a partir de la incertidumbre máxima en cada punto de frecuenciaconsiderado. La rutina tiene por nombre incertidumbres.m , y realiza losiguiente:

• Se obtienen las ganancias naturales (inicialmente las tenemos en dBs).• Convierte los pares módulo-fase en números complejos.• Calcula los módulos de las incertidumbres.• Convierte los módulos de las incertidumbres a dBs.• Obtiene la curva de incertidumbres máxima.• Representa las incertidumbres.

Un ejemplo del resultado obtenido podría ser el siguiente dibujo:

10-1

100

101

-30

-25

-20

-15

-10

10-1

100

101

-25

-20

-15

-10

Figura 7. Cálculo de las incertidumbres.




3.3.3 Controladores.

Con el conocimiento que tuviera de la planta podemos intentarexperimentar con diversos controladores. Lo más fácil e intuitivo seríaintentarlo primeramente con un PID, después modelando la función de lazo yfinalmente con un controlador H∞. Obviamente, hablamos de controlar lavelocidad del eje del motor, que es lo mismo que controlar el caudal de unabomba peristáltica.

Analizando el sistema se piensa que el control que mejor vendría a losrequerimientos y características particulares del proceso sería un control detipo predictivo. El dejarlo en bucle abierto y con un control por programaalmacenado se debe más a las imposiciones del diseño que a considerarlocomo mejor solución. Así pues, pasamos a describir esbozos de lo que podríaser nuestro controlador.

A) PID.

La implementación del controlador PID en tiempo discreto se realizamediante la ecuación en diferencias:

Donde sum es la suma de todos los errores pasados, Kp la constanteproporcional, Ti y Td las constantes integrales y derivativas respectivamente yTm el valor del intervalo de muestreo.

Teniendo en cuenta que la tarjeta de adquisición de datos ofrece unatensión de salida acotada en el rango ±10V debemos asegurarnos de nosalirnos de estos márgenes incluyendo alguna protección en el programa decontrol.

La definición de las constantes del controlador es la siguiente cuestión atener en cuenta. Un posible método para obtener estas constantes es el deZiegler-Nichols, basándonos en las características de bucle abierto de laplanta. Teniendo en cuenta que la planta en bucle abierto es inestable podemossuponer de antemano que la determinación de las constantes por este métodono dará resultados en absoluto aceptables; así, los experimentos que se puedanhacer en esta dirección corroborarán esta idea.

⋅−+⋅+= −

m

dkk

i

mkpk t

TeeTtsumeku )( 1




Dada las características de la planta, la sintonización del controladordeberá realizarse mediante un procedimiento de prueba-error más o menosorganizado. Este método es el más usado para ajustar PID y es del todo de tipoheurístico y práctico, donde la experiencia es todo un grado. Unprocedimiento más metódico y estructurado puede ser:

• Anular las acciones integral y derivativa y ajustar el valor de laconstante proporcional de forma que el sistema siga a la referencia conuna sobreoscilación no demasiado grande. Evidentemente, dado que elsistema presenta zona muerta, en estas circunstancias habrá error enrégimen permanente.

• Dar progresivamente efecto integral para reducir el error en régimenpermanente. Reducir si es necesario la constante proporcional.

• Dar efecto derivativo para reducir en lo posible las oscilaciones.Con estas consideraciones se podrían obtener por ejemplo los siguientes

resultados:

Figura 8. La gráfica superior muestra la señal de control aplicada al sistema(en azul) y la señal de error (en rojo). La segunda gráfica representa lareferencia (en azul) y la respuesta del sistema (en rojo). Puede verse como seha perturbado al sistema sacándolo de la posición de equilibrio en tresocasiones después del segundo escalón.

Estos resultados se habrán obtenido con los siguientes valoreshipotéticos del controlador:

Kp= 7; Ti= 0.4; Td= 0.15

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-5

0

5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

0

1

2

3

4




Estos valores son los tres valores estándar que tenemos que calcular oencontrar para un PID.

B) Controlador mediante el moldeo de la función de lazo.

Para definir la función de lazo deseada tendremos en cuenta:

• Vamos a controlar al sistema mediante referencias tipo escalón. Lafunción de lazo debe caer con una pendiente de –20dB/dec a bajafrecuencia.

• En torno a la frecuencia de corte, la pendiente de caída será de –20dB/dec.

• A frecuencias una década superior a la frecuencia de corte, la pendientede caída será de –40 dB/dec (para rechazo de ruidos).

• La frecuencia de corte se elegirá lo mayor posible (para obtener unsistema lo más rápido posible) pero teniendo en cuenta que será unafrecuencia siempre menor a aquella en que el módulo de lasincertidumbres cortan a la línea de 0 dB.

En base a todo esto, la función de lazo deseada tiene la siguiente forma:

Figura 9. Función de lazo.

Que corresponde a una función con frecuencia de corte de 4 rad/s ,pendiente de caída de –20 dB/dec desde baja frecuencia hasta 40 rad/s y

Frequency (rad/sec)

Pha

se (

deg)

; M

agni

tude

(dB

)

Bode Diagrams

-30

-20

-10

0

10

100

101

102

-160

-140

-120

-100




pendiente de caída de –40 dB/dec a partir de esta frecuencia, es decir, a unafunción:

Teniendo en cuenta que la planta responde a

Y que

Obtenemos el siguiente controlador:

Correspondiente a

En tiempo discreto con un intervalo de muestreo de 0.025 segundos.

C) Controlador H∞∞∞∞.

El diseño de controladores controlador H∞ parte de la definición defunciones de ponderación. Se puede realizar según los siguientes criterios:

• Función de ponderación ωT(S): La modelamos para que esté siempre porencima de la curva de incertidumbres. Estimando que la curva deincertidumbre tiene una frecuencia de corte aproximadamente en 2rad/s.

+=

1401

4)(

SSL s

SSG s

973.5175.0

1119.1)( ⋅

+=

)(

)()(

S

Ss G

LK =

+

+=1

401

)175.0(6023.0)(

S

SK s

1

1

)( 3333.0185.1125.12

−

−

⋅−⋅−=z

zk z




• Función de ponderación ωS(S): La modelamos según la función:

Donde:

M=√2A=10-4

ωB define la rapidez de la respuesta

La función de ponderación ωS(S) define el comportamiento delcontrolador. El adoptar una función de orden 2 es debido a la propianaturaleza del sistema. Recordemos que éste tenia un integrador puro, por loque había que forzar que la función de lazo fuese de orden 2 para asegurarnosque el controlador eliminaría los errores en régimen permanente. El adoptar lafunción de orden 2 es equivalente a hacer esto.

Respecto a la frecuencia de corte, debe estar siempre por debajo de lafrecuencia de corte de la función de ponderación ωT, teniendo en cuenta quecuanto mayor sea más rápido será el controlador, pudiendo aparecer tambiéncomportamiento oscilatorio.

Función de ponderación ωU(S): Esta función de ponderación permitedefinir un comportamiento del controlador respecto a la actuación. Si elsistema presentase comportamiento oscilatorio podríamos averiguar lafrecuencia de oscilación y ponderar mediante esta función de manera que, parabaja frecuencia la actuación no estuviese limitada y para frecuencias cercanasa la de oscilación, se limitase ésta. Inicialmente no emplearemos esta funciónde ponderación.

Con estas consideraciones definimos las funciones de ponderación queservirán de base para el cálculo del controlador. Los distintos controladoresserán consecuencia de distintas frecuencias de corte de la función deponderación ωS(S), ya que es la única que en principio variaremos para buscarmayor o menor velocidad de respuesta. Inicialmente probamos con

2

)(

⋅+

+=

B

B

SS ASMS

ϖ

ϖϖ




frecuencias de corte 1 década por debajo de la frecuencia de corte de lafunción ωT(S) para posteriormente hacer más rápido al controlador aumentandoesta frecuencia de corte.

Como ejemplo se muestran las funciones de ponderación junto a lacurva de incertidumbres para una frecuencia de corte de la función ωS(S) de 0.5rad/s. Esta representación se efectúa con una rutina desarrollada en Matlabnombrada como ponderaciones.m. El resultado es el siguiente:

Figura 11. Funciones de ponderación e incertidumbre.

Una vez definidas las funciones de ponderación podemos calcular elcontrolador. Para ello se implementa una rutina que efectúa las siguientesoperaciones (Hinfinito.m):

• Definición de la planta y de las funciones de ponderación.• Construcción de la planta aumentada mediante el programa SYSIC.• Cálculo del controlador .• Discretización del controlador.• Calculo de la realización mínima mediante cancelación de polos y ceros

cercanos.

Podemos suponer que la zona muerta tendrá un efecto sobre elcontrolador similar a la que encontramos durante el diseño del controladormediante el moldeo de la función de lazo: parte de la energía proporcionadapor el controlador se invertirá en vencer la zona muerta, por lo que elcontrolador resultante será más lento de lo esperado.

10-1

100

101

102

-30

-20

-10

0

10

20

30

40




La zona muerta del sistema puede ser demasiado grande respecto almargen de control del sistema En tal situación, necesitaríamos un controladormás agresivo, capaz de vencer la zona muerta de forma rápida y así eliminarpronto el error en régimen permanente. Así aunque tenga una respuesta inicialdemasiado violenta, un controlador más conservador no eliminaría el error enrégimen permanente con la suficiente rapidez. La solución podría ser eliminarel efecto de la zona muerta mediante la inclusión de unas líneas de código enel programa de control. Estas líneas sumarían a la actuación calculada un valorde 3 V con la actuación positiva. Es decir, aplicamos, además de la señal decontrol, el valor necesario para vencer la zona muerta, por lo que de cara alcontrolador, el sistema no presentaría esta no-linealidad. Hay que tener encuenta que para el cálculo del controlador se emplea un modelo lineal delsistema, por lo que la inclusión de estas líneas de código haría al sistema realmás parecido al modelo empleado y por consiguiente cabría esperar que elcontrolador presentase un comportamiento mejor. Los resultados obtenidosdeben confirmar estas hipótesis.

D) Predictivo.

El control Predictivo basado en modelo (MBPC ó MPC,) constituye unamplio campo de métodos de control desarrollado en torno a ciertas ideascomunes e integra diversas disciplinas como control óptimo, controlestocástico, control de procesos con tiempos muertos, control multivariable,control con restricciones, etc.

Las ideas comunes de las que hablábamos y que aparecen en todos lostipos de controladores predictivos son básicamente:- Uso explícito de un modelo para predecir las salida del proceso en futuros

instantes de tiempo (horizonte).- Cálculo de las señales de control minimizando una cierta función objetivo.- Estrategia deslizante. Se aplica la primera señal de control en cada instante

y se desecha el resto, repitiendo el cálculo en cada instante de muestreo.

El control predictivo es extraordinariamente útil cuando se conocen lasfuturas referencias como es el caso que nos ocupa, ya que estamos hablandode un proceso batch, donde sabemos exactamente cuál va a ser nuestro perfilde temperatura/concentración/tiempo que queremos, antes de comenzarnuestro proceso. El MPC presenta muchas ventajas tales como:- Conceptos intuitivos y sintonización fácil.




- Permite tratar con facilidad el caso multivariable.- Posee intrínsecamente compensación del retardo.- Fácil tratamiento de restricciones.- Metodología abierta.

Figura 12. Estructura básica del Model (Based) Predictive Control.

Los inconvenientes son una mayor carga en los cálculos para la resoluciónde algunos algoritmos y la necesidad de disponer de un modelo apropiado delproceso, pero con un ordenador en el sistema de control se pueden realizarfunciones de control y cálculos casi sin limitación en complejidad, y por otraparte, el modelar el sistema adecuadamente sólo es cuestión de tiempo. Porahora estamos fuera del alcance de realizar tales metas, pero seguro que será lafutura estrategia de control a largo plazo para nuestro proceso ya que es detipo batch. De llegar el caso, en la bibliografía se encuentra un libro sobre eltema que sería de inestimable ayuda.

El hecho de que prácticamente todos los usuarios de control predictivo(dispersos en una gran cantidad de procesos de distinta naturaleza) están hoy

Modelo

Optimizador

Entradas ysalidas pasadas

Controlesfuturos

Salidaspredichas

Referencia

Funciónde coste Restricciones

ESTRUCTURA BÁSICA DEL MPC

+_




por hoy satisfechos y el hecho de ser un tipo de control de naturaleza abierta,nos indican que puede ser aún objeto de estudio y mejora.

3.3.4 Conclusiones.

Independientemente de lo que se pueda concluir en el aspecto técnicosobre las diferentes estrategias de control empleadas, en cualquier trabajodesarrollado se pone de manifiesto que controlar un sistema real obliga a teneren cuenta una serie de parámetros que sobre el papel pueden no tener granimportancia o simplemente ser difíciles de considerar. Los sistemas realestienen particularidades y comportamientos difícilmente reproducibles deforma teórica, por lo que los cálculos no serán mas que aproximaciones quenos permitirán comenzar a exprimir al sistema. En una segunda fase, lasimulación, que constituye una herramienta muy interesante entre otras cosaspor permitir el modelado del sistema con bastante exactitud, teniendo encuenta muchas de esas particularidades, nos da la oportunidad de afinar más yconseguir mejores resultados. Pero por mucho empeño que se ponga enmodelar el sistema, hasta el más mínimo detalle, la realidad siempre mantienelas distancias, por lo que afinar un controlador para que el comportamiento seaóptimo pasa por una última fase en la que el conocimiento físico o de contactocon el sistema es imprescindible. Esto le pasa sobre todo en el diseño decontroladores H∞. Los resultados finales no se consiguen ni sobre el papel nisobre la simulación, sino modificando con sentido común y experiencia loscontroladores obtenidos de forma teórica. Obviamente, para poder actuar consentido común es necesario conocer el sistema con cierta precisión.

3.4. Regulación digital electrónica.

Podemos definir un servomecanismo como un conjunto de elementoseléctricos y mecánicos que permiten desplazar el elemento móvil convariaciones de posicionamiento, velocidad y aceleración, que está en buclecerrado, es decir, que el control de la potencia depende de las consignassuministradas por el usuario y de la información de movimiento del móvil. Siel órgano de control y de mando (regulador) es digital es un servomecanismodigital.

Sus funciones son:- Regular. (Calcular la señal de control).




- Proporcionar el interfaz de señales. (Suministrar las señales de potencia alconversor de energía). La interfaz depende de las características de lasseñales provenientes del regulador, del tipo de motor utilizado y de lasopciones técnicas y tecnológicas impuestas.

- Transformar la energía.- Carga mecánica.- Captar el movimiento (la posición, la velocidad o la aceleración).

Los reguladores digitales integrados son circuitos de control demovimiento universales de gran rendimiento. Son parametrizables a través deun procesador local, lo que le proporciona una gran flexibilidad en suutilización para realizar sistemas de servocontrol. Como ejemplos de estos,están el HCTL1000 de HP, el LM628 y 629 de National Semiconductor. Estosreguladores tienen las siguientes funciones:- Corrección numérica.- Funciones de comparación.- Interfaces de salida de control de motores.- Interfaz de medida (de la posición, velocidad y acelaración).- Generador de consignas (distintos algoritmos de control).- Interfaces de parametrización (comunicación con un micro).

Figura 13. Esquema funcional de un regulador digital.

Generador deconsignas Comparador Corrector digital

Interfaces desalida de control

de motores

Interfaz demedida

Señalesprocesador

local

Señales del sensor

Esquema funcional

Señales de controlde los interfaces de

motor

Interfaces deparametrización

REGULADOR DIGITAL



TARJETA DE ENTRADA-SALIDA. 4 - 1

4.1. Función.

Un sistema de adquisición de datos consta principalmente de lassiguientes partes:

- Sensores y transductores. Las magnitudes de las variables que sequieren medir se convierten en variables más manipulables, como porejemplo la tensión o voltaje en c.c.

- Actuadores. Elementos finales de control que actúan directamente sobreel proceso.

- Transmisores o interfaces. Para adaptar las señales, bien de entrada o desalida, entre la tarjeta de adquisición de datos y los sensores,transductores o actuadores.

- Tarjeta de adquisición de datos. También llamada tarjeta de entrada-salida (E/S o I/O). Recoge datos sobre las variables del sistema yentrega datos para controlar el sistema.

- PC, ordenador personal o computador. Es el sistema informático dondese instalan las tarjetas de E/S.

- Software. Es el programa que realiza el control de todo el proceso. Laprogramación se puede realizar con lenguaje de alto nivel como el C++,o bien con un programa orientado al control y supervisión de procesos(SCADAS).

Podemos considerar a la tarjeta de E/S como la piedra angular de todonuestro sistema de adquisición de datos. Mediante la tarjeta de entrada ysalida, el programa en HP VEE V6.0 va a relacionarse con el exterior delordenador. Su función, es pues, de interfaz entre los datos en software delprograma que realicemos y las tensiones reales de salida o entrada de latarjeta. A través de ella actuaremos y controlaremos nuestras cuatro bombas através de sus cuatros salidas analógicas, además de recoger la información decómo se encuentra nuestro sistema de perfusión mediante la medición de latemperatura y caudal en puntos estratégicos.

4. TARJETA DE ENTRADA-SALIDA.




4.2. Tarjeta DT331. Características.

La tarjeta de entrada-salida utilizada es la tarjeta DT331 de DataTranslation. Es una tarjeta de adquisición y salida de datos de bajo costedentro de la serie de tarjetas DT330 de Data Translation.

Posee cuatro salidas analógicas o canales analógicos con una resoluciónde 12 bits. Estas salidas pueden ser cambiadas por software en los rangos detensión de -10 a +10 V, de 0 a 10 V, de –5 a +5 V, o de 0 a +5 V., por lo quele permiten una gran flexibilidad de salidas en tensión distintas. La mínimaintensidad de salida que se asegura es de 5 mA. Una vez cambiadas porsoftware quedan fijas las tensiones máximas y mínimas hasta un posteriorcambio.

Posee cuatro puertos digitales de ocho líneas (o bits) cada uno llamadospuertos A, B, C, y D, que hacen un total de 32 líneas de entrada-salida. Estaspueden actuar con interruptores de estado sólido (suministrando 15mA siactúa la línea como salida o absorbiendo 24 mA si actúa la línea comoentrada). Puede generar una interrupción cuando cualquiera de las 8 líneas deentrada-salida del puerto D cambia de estado. Esta característica es muy útilpara supervisar señales críticas o cuando se quiere indicar al ordenador quetransfiera datos hacia el exterior o los capture. Se puede hacer interrupcionesbit a bit en este puerto.

Las conexiones que tiene la tarjeta con el exterior es un conector de 68pines (algunos de los cuales no se usan) en la parte de atrás de la tarjeta, a lasalida del ordenador. Se podría disponer de un papel de conexiones (el STP68)que simplifica las conexiones y un cable (EP305) que conecta la salida de latarjeta con el panel de conexiones.

La descripción de cada uno los pines es la siguiente:




• Salidas analógicas y alimentación:

Descripción Pin Descripción PinSalida +5V 1 Tierra de alimentación 35

Salida DAC0 28 Retorno DAC0 27Salida DAC1 62 Retorno DAC1 61Salida DAC2 30 Retorno DAC2 29Salida DAC3 64 Retorno DAC3 63Salida DAC4 32 Retorno DAC4 31Salida DAC5 66 Retorno DAC5 65Salida DAC6 34 Retorno DAC6 33Salida DAC7 68 Retorno DAC7 67

• Entradas-Salidas digitales:

Descripción Pin Descripción PinTierra digital 57 Tierra digital 23

Puerto A, Línea 0 56 Puerto A, Línea 1 22Puerto A, Línea 2 55 Puerto A, Línea 3 21Puerto A, Línea 4 54 Puerto A, Línea 5 20Puerto A, Línea 6 53 Puerto A, Línea 7 19

Tierra Digital 52 Tierra Digital 18Puerto B, Línea 0 51 Puerto B, Línea 1 17Puerto B, Línea 2 50 Puerto B, Línea 3 16Puerto B, Línea 4 49 Puerto B, Línea 5 15Puerto B, Línea 6 48 Puerto B, Línea 7 14

Tierra Digital 47 Tierra Digital 13Puerto C, Línea 0 46 Puerto C, Línea 1 12Puerto C, Línea 2 45 Puerto C, Línea 3 11Puerto C, Línea 4 44 Puerto C, Línea 5 10Puerto C, Línea 6 43 Puerto C, Línea 7 9

Tierra Digital 42 Tierra Digital 8Puerto D, Línea 0 41 Puerto D, Línea 1 7Puerto D, Línea 2 40 Puerto D, Línea 3 6Puerto D, Línea 4 39 Puerto D, Línea 5 5Puerto D, Línea 6 38 Puerto D, Línea 7 4

Tierra Digital 37 Tierra Digital 3

• Pines no conectados: 2, 24, 25, 26, 36, 58, 59, 60.




Cualquier información adicional se puede obtener en la webwww.datatranslation.com o bien en el anexo correspondiente.

La instalación física de la tarjeta se realiza sobre un bus PCI de unordenador. Además necesita de un software específico (VEE Pro) para laconfiguración de la tarjeta (DT VPI ) y para que ésta se comunique con unprograma de programación en un entorno visual (HP VEE V6.0., aunquetambién se podría con LabView). Todo el software viene en un CD al adquirirla tarjeta DT331.

El diagrama de bloques es el que se muestra en la figura.

INTERFAZ BUS PCI

BUS PCI

DIO Puerto DRegistros E/S

DIO Puerto CRegistros E/S

DIO Puerto BRegistros E/S

DIO Puerto ARegistros E/S

8

8

8

8

DIO Puerto D[7:0]

DIO Puerto C[7:0]

DIO Puerto B[7:0]

DIO Puerto A[7:0]

DACCanal 0

DACCanal 1

DACCanal 2

DACCanal 3

Salidas analógicas0 a 7




Generadorinterrupciones

DIO Puerto D[7:0]

FIGURA 1. Diagrama de bloques de la estructura interna de la tarjetaDT331.




Figura 2. Insertando la tarjeta Serie DT330 en el ordenador.

Figura 3. Unión del Panel Terminal de Tornillos STP 68 o STP 68-DIN con latarjeta Serie DT330.




Figura 4. Distribución de la tarjeta de Panel Terminal de Tornillos STP 68 oSTP 68-DIN.

Figura 5. Conexión de voltajes de salida analógicos al STP 68 o STP 68-DIN(Se muestra el caso del Canal 0).




Figura 6. Conexión de entradas digitales al STP 68 o STP 68-DIN (Semuestra el caso de líneas 4 y 6, Puerto A).

Figura 7. Conexión de salidas digitales al STP 68 o STP 68-DIN (Se muestrael caso de línea 0, Puerto B).

Para el manejo de la tarjeta DT331 se necesitan dos programas. Estosson el HP VEE que es un software de programación gráfica y el DT VPI quees el software para programar la tarjeta DT331 ajustándola a losrequerimientos adecuados y que es capaz de comunicarse con el HP VEE paraque los datos de entrada y salida del HP VEE sean tratados como tales pornuestra tarjeta de entrada-salida para poder interactuar y comunicarnos con elexterior por medios eléctricos.

Existe también software adicional que no se utilizará en esta primerafase, tales como:

- HP Instrument Drives. Software que permite poder manejar desde el HPVEE diversos instrumentos de medida de la casa HP (Hewlett Packard).

- HP I/O Libraries for instrument control. Análogamente para otrosaparatos de control.




Se proporcionan manuales de usuario en formato PDF de AdobeAcrobat en el CD-ROM que se entrega con la tarjeta. Puede verse eimprimirse usando Acrobat Reader. También es posible comprar una copia delo siguiente:

- D T x - E Z T M controles Active X ® para adquisición de datos yploteado de alta velocidad.

- V E E P r o T M con DT VPI T M y MATLAB- S c r i p t es un entorno de programación gráfica para crear aplicaciones

de pruebas y medidas que soporta toda la funcionalidad de las tarjetasData Translation.

- V E E O n e L a b es una versión reducida del VEE Pro de bajo costepara ingenieros y científicos individuales.

- DT-LV Link T M permite a los usuarios de LabView ® aprovechar laplena funcionalidad de las tarjetas Data Translation.

- T e s t P o i n t T M Sistema de Desarrollo Profesional orientado a objetoscon capacidades de arrastrar y dejar caer (drag-and-drop).

Para más información sobre el uso de las tarjetas de la Serie DT330referirse a los siguientes documentos:

- Manual del Usuario de la Serie DT330 (UM-17416). Incluido en el CDOMNI TM de Adquisición de Datos que se proporciona con la tarjeta dela serie DT330, este manual describe las funciones de las tarjetas de laSerie DT330 y del Dispositivo Driver de la Serie DT330 en detalle.

- DataAcq SDK Manual de Iniciación (UM-18326). Incluido en el CDOMNI TM de Adquisición de Datos proporcionado con la tarjeta de laSerie DT330, este manual describe como desarrollar programas deaplicación propios usando el compilador Microsoft C y como usar lasSDK DT-Open Layers DataAck TM para acceder a las capacidades delas tarjetas de adquisición de Data Translation®.

- DTx-EZ Manual de Iniciación (UM-15428). Este manual describe comousar los controles ActiveX proporcionados en el DTx-EZ para acceder alas capacidades de adquisición de datos de las tarjetas Data Translationdesde Microsoft Visual Basic® o Visual C++®.

- DT VPI Manual del Usuario (UM-16150). Este manual describe comousar el DT VPI TM y el lenguaje de programación visual Agilent® VEETM para acceder a las capacidades de las tarjetas de adquisición de DataTranslation.

- DT-LV Link Manual de Iniciación (UM-15790). Este manual describecomo usar DT-LV Link TM con el lenguaje de programación gráfica




LabVIEW® para acceder a las capacidades de las tarjetas deadquisición de Data Translation.



CIRCUITO INTERFAZ. 5 - 1

El circuito interfaz implementado es un equipo de separación entre latarjeta de adquisición de datos DT331 y las bombas. Su función principal es lade adaptar y convertir las señales de salida analógica de la tarjeta de E/S parapoder ser entendidas y poder actuar sobre las bombas. También realiza lafunción de protección y aislamiento entre los dos equipos que enlaza. Ennuestro caso adapta las salidas analógicas de la tarjeta DT331, cuyas tensionespueden variar entre 0 y 10 voltios en c.c., y con una intensidad mínima de 5miliamperios, para que pueda controlar las bombas peristálticas variando sutensión de 0 a 15 voltios en c.c. También con estas tensiones de salida (0-10 Ven c.c.), se variaba la tensión de alimentación a las primeras bombas usadasque eran de c.a. a 220 voltios y 200 miliamperios entre unos valores de 0 y220 voltios efectivos.

5.1. Generalidades.

5.1.1. Circuitos de potencia.

En la electrónica de potencia, el énfasis se centra en el rendimientoobtenido en la conversión de la energía. Debido a esto, todos los dispositivostrabajan en conmutación (funcionando como interruptores, es decir, abiertos ocerrados como en la lógica booleana). Conviene comentar y destacar que loscircuitos de potencia son no lineales dado que tienen componentes no lineales.

Un dispositivo de potencia ideal (o interruptor ideal) tendría lassiguientes características:

- Resistencia nula al paso de la corriente cuando está en conducción eldispositivo (de hecho, no suelen usarse resistencias en estos circuitos,sólo bobinas y condensadores).

- Resistencia infinita al paso de la corriente cuando se encuentra en corte.- Tiempo de conmutación nulo, ya sea de corte a conducción o viceversa.

5. CIRCUITO INTERFAZ.




En los dispositivos reales estas características a efectos prácticos soncasi ciertas, ya que los valores absolutos entre el comportamiento enconducción y en corte son muy dispares.

Cualquier equipo de potencia consta de los siguientes bloquesfuncionales:

- Una fuente de energía (c.a. ó c.c.) para aplicarla a la carga.

- Una carga (c.a. ó c.c.) o consumidor de energía.

Estos dos bloques anteriores, a veces pueden intercambiarse en susfunciones, ya que a veces es la carga la que devuelve energía a la fuente. Elejemplo típico es el de un motor que devuelve energía en el frenado (frenadoregenerativo)

- Un circuito principal o de potencia constituido por elementos depotencia y componentes pasivos que se encargan de la conversión de laenergía. En el caso de la electrónica de potencia son convertidores deestado sólido.

- Un circuito de control o auxiliar de mando que se encarga de generar lasseñales que excitarán la entrada o funcionamiento de los dispositivosdel circuito principal o de potencia. Además supervisará y tomará lasdistintas medidas (corrientes, tensiones, frecuencia, ...) necesarias con elfin de controlar que la energía suministrada de la fuente a la carga sea laadecuada.

FUENTE DEENERGÍA

CIRCUITOPRINCIPAL

CARGA

CIRCUITO DECONTROL

FLUJO DE POTENCIA

Figura 1. Esquema general de un equipo de potencia.




El circuito principal o de potencia es el que realiza el paso de energía dela fuente a la carga, mientras que el circuito de control regula cuánta potenciao energía debe de pasar.

En todo equipo de potencia, se debe intentar que el consumo enpotencia del circuito auxiliar o de control sea mucho menor que el consumo depotencia de la carga. Se actúa como si fuera una multiplicación oamplificación de la potencia, es decir, con poco consumo del circuito decontrol, con este pequeño consumo se puede controlar grandes potencias quellegan a la carga a través del circuito principal o de paso de la potencia desdela fuente de energía.

5.1.2 Dispositivos electrónicos.

Existe en el mercado un amplio abanico de dispositivos electrónicossemiconductores que básicamente podemos utilizarlos como interruptores.Entre ellos podemos destacar como más importantes:

- El diodo.Semiconductor básico elemental sin terminal de control alguno.

- El tiristor.Su principal problema es que no tiene mando para el apagado oextinción, lo que es más dificultoso en c.c. Aunque existen otros tiposde tiristores, el más común y conocido es el SCR o rectificadorcontrolado de silicio.

- El triac.Es como un tiristor bidireccional y básicamente equivale a dos tiristoresen antiparalelo.

- El transistor BJTInterruptor que si tiene mando, tanto de bloqueo como de activación. Eshoy en día, el dispositivo más habitualmente empleado en la conversiónde energía.

- El darlington.Derivado del BJT. Se compone de dos o tres transistores bipolaresmontados en una sola estructura monolítica, donde uno de lostransistores va controlando al siguiente en configuración seguidores deemisor conectados en cascada,; así se asegura la obtención de unaganancia elevada y por tanto, un aumento de la potencia conmutada.

- El transistor MOSFET.




Es como una resistencia variable controlada por tensión. Posee ventajasrespecto al transistor bipolar tales como impedancia de entrada altísima,velocidad de conmutación mucho más elevada, menor peso y menosmolestias.

- El GTO. (Gate turn off thyristor). El tiristor de apagado por puerta es un tipo de tiristor que permiteademás del disparo por puerta, el bloqueo.

- El IGBT. (Insulated gate bipolar transistor).El transistor bipolar de puerta aislada tiene una alta impedancia depuerta por lo que requiere una cantidad pequeña de energía para serllevado y mantenido en conducción. Está a medio camino entre laspropiedades del transistor bipolar y del MOSFET. A los dispositivosque asocian las cualidades características de las dos tecnologías se lellama también BIPMOS.

- Smart Power.Consiste en integrar en el mismo chip de silicio o bien en el mismosoporte todas las funciones que concurren para el manejo de potencia(órdenes lógicas, cadenas de amplificación y de potencia). Incluso sepuede integrar en la misma pastilla de silicio a todo el conjunto, esdecir, tanto el mando lógico o de control como las cadenas deamplificación y de potencia.

La utilización de dispositivos de potencia con mejores prestaciones(SCR, Transistores bipolares, ...), de nuevos dispositivos de potencia conmejores características (IGBT, GTO, ...) y del control con microprocesador, hadado lugar a una especialización cada vez más concreta y específica a cadacaso particular de la aplicación que se quiere desarrollar, dando lugar a un usocada vez mayor de procesadores digitales de señal (DSP) y circuitosintegrados de aplicación específica (ASIC) al control, donde se consigue hoypor hoy unas funcionalidades y unas prestaciones muy amplias y fiables.

Entre las mejores características o prestaciones de las que hablábamos,las principales son: mayor tensión, mayor corriente y una conmutación másrápida. Estos pluses son el resultado de procesos tecnológicos tales como ladifusión, soldadura, encapsulado, control, etc. Si son de naturalezatecnológica, estos límites serán algún día franqueados, pero si la limitación esde carácter físico, nunca podrá superarse. Así pues, lo que se requiere de unsemiconductor de potencia se resume en:

- Que mantenga una tensión lo más elevada posible.- Que deje pasar una corriente lo más elevada posible.- Que sea fácil de controlar.




- Que sea fácil de montar.- Que funcione con rapidez y sin desgaste.- Que sea barato.- Que pueda transmitir la potencia mayor posible, es decir, su potencia

conmutable.

En los anexos se tienen representados a la mayoría de lossemiconductores de potencia más usados e importantes. Se han clasificadosegún si son controlados o no, y según si tienen posibilidad de bloqueo o no.

5.1.3 Soluciones adoptadas.

Dentro de todos los dispositivos electrónicos semiconductores de losque hemos hablado, se ha optado por los más comunes y baratos. Así paracontrolar las bombas peristálticas de c.c. se ha optado por transistoresbipolares en configuración darlington y para controlar las bombas deimpulsión de aire de c.a. se optó por el empleo de tiristores o su versiónbipolar, los triacs. La facilidad de encontrarlos en el mercado electrónico, asícomo su precio asequible debido a que son éstos normalmente utilizados paramúltiples aplicaciones, los hacen dignos de escogerlos para nuestrospropósitos. La elección es por tanto de tipo económico y por simplicidad.

Está claro que las principales razones técnicas para la utilización de lossistemas electrónicos y de potencia son la gran velocidad de respuesta y ladinámica de regulación que se asocia a este tipo de dispositivos. Así también,las razones económicas, su reducción en peso y volumen, además del buenrendimiento. La gran difusión de las alimentaciones en modo conmutado así lopone de manifiesto, ya que son muchas las ventajas. Existen muchas más,tales como la fiabilidad, la poca disipación térmica, ..., etc. La revolución seestá produciendo hoy por hoy en cuanto a la densidad de integración dentro dela misma pastilla de silicio, con un gran número de funciones lógicas yaplicaciones, y a la miniaturización de los dispositivos.

Hay que hacer la observación que en un equipo electrónico de potencia,el coste global será la suma de los costes, no sólo de los semiconductores odispositivos de potencia, sino también de los circuitos de control para éste y delos componentes pasivos asociados.




5.2 Interfaz para bombas de cc.

5.2.1 Convertidores conmutados cc-cc.

Actualmente, los convertidores conmutados son la base de todos lossistemas que optimizan el flujo de energía eléctrica entre una fuente primaria yuna carga. Los convertidores conmutados suelen formar parte de un sistema deconversión c.a.- c.c. Su alimentación es alimentación continua no reguladaobtenida mediante la rectificación de la tensión de red. La misión delconvertidor c.c.-c.c. conmutado es convertir la entrada de tensión continua noregulada en una tensión regulada de salida y a un nivel deseado, para losrangos de carga especificados en su diseño.

TENSIÓNCONTÍNUAREGULADA

RECTIFICADORNO

CONTROLADO

CONDENSADORDE FILTRADO

CONVERTIDORCC-CC

CONMUTADOCARGARED ELÉCTRICA

MONOFÁSICA

TENSIÓN CC-CCNO REGULADA

TENSIÓNCONTÍNUA NO

REGULADA

SISTEMA DECONTROL

V control

Figura 2. Diagrama de bloques típico de un convertidor c.a. – c.c.

Los convertidores c.c.-c.c. son muy usados, tanto en fuentes dealimentación como en el control de motores eléctricos como es nuestro caso.Aunque en el caso de fuentes de alimentación se utilizan convertidoresconmutados con aislamiento galvánico, en el caso de los actuadores demotores no existe generalmente ese aislamiento eléctrico o galvánico. Ennuestro caso, el circuito realizado se ha aislado galvánicamente por medio deun optoacoplador con el fin de proteger a la tarjeta de entrada-salida o deadquisición de datos DT331 que se ha utilizado, dado el poco coste deloptoacoplador y la gran prestación que nos dispensa (el proteger la costosatarjeta DT331).

Las topologías básicas de los convertidores conmutados con un solointerruptor son:

- Convertidor reductor (buck), también llamado regulador conmutadoen serie.




Su funcionamiento a grandes rasgos es el siguiente: la fuente imponeuna tensión Ve sensiblemente constante. El semiconductor deja pasaruna corriente i hacia la carga durante un tiempo Ton. A continuación seproduce la apertura del semiconductor durante un tiempo Toff. Se hace inula y la corriente continua circula por la carga gracias a la inductanciapropia de ésta y al diodo de libre circulación que asegura la continuidadde la corriente en la inductancia. Si la frecuencia de regulación essuficientemente elevada, la intensidad de corriente varía poco en lacarga.Este regulador, como su nombre indica, rebaja la tensión, y el valormedio de la intensidad de la corriente en la carga es una funcióncaracterística de ésta. La aplicación más típica del regulador en serie esla del ajuste de la velocidad de motores de corriente continua, que es laque le vamos a dar.

- Convertidor elevador (boost), también llamado regulador conmutadoen paralelo.

El funcionamiento en este regulador es el siguiente: el semiconductorcontrolado pone la fuente en cortocircuito durante el tiempo Ton, a lolargo del cual la corriente aumenta, así como el flujo en la inductancia.Con el semiconductor en estado de conducción, la corriente circula en lacarga, aunque la tensión en sus bornes sea superior a la tensión de lafuente, durante el periodo Toff de apertura del semiconductor. A lolargo del tiempo de bloqueo, la inductancia recupera la energíamagnética perdida. Se puede aplicar también al control de la velocidadde motores de corriente continua.

Existen otras topologías con un solo interruptor, pero son derivadas deestas últimas como el convertidor reductor-elevador (buck-boost) o elconvertidor Cúk.

El circuito implementado se ha realizado utilizando una de estastopologías básicas, en concreto se ha realizado un convertidor reductor o buck.

Normalmente la etapa de salida de cualquier convertidor está formadapor un filtro paso bajo para dirigirse finalmente a una carga; dicha carga en elcaso de un motor se modela su devanado como una fuente de tensión continuaen serie con una inductancia y una resistencia.




C

L

RD

BUCK

+

-

Ve

INT

Vs

C

L

R

D

BOOST

+

-

Ve INT Vs

Figura 3. Topologías básicas de convertidores c.c-c.c.

El regulador de conmutación es un convertidor que permite obtener unatensión continua ajustable a partir de una fuente de corriente continua. Actúaregulando la corriente del circuito de carga por conmutación periódica abierto-cerrado de un semiconductor de los ya indicados. Su consumo propio es casinulo y su rendimiento es próximo a la unidad.

El convertidor c.c.- c.c. que se va a usar es un convertidor básico (sóloun transistor y algunos componentes más), sin embargo, el convertidor de másampliamente usado es el “convertidor puente”, también llamado en H, yaque está construido por cuatro interruptores, uno en cada trozo vertical de laH. El uso de este convertidor puente es muy común y se usa ampliamente paraconvertidores de c.c. y para generación de c.a. (inversores u onduladores).




+

-

INT 1 Vs

INT 2

CARGA

INT 3

INT 4

Ve

Figura 4. Esquema del convertidor puente.

Conviene comentar que siempre se deberán abrir un interruptor antes decerrar otro para no cortocircuitar la fuente. La generación de esos tiemposmuertos es realizada con circuitos muy simples También añadir que cadainterruptor INT., realmente es un interruptor con un diodo de libre circulaciónen antiparalelo.

Las estrategias de modulación PWM en un convertidor pueden ser dos:- PWM con salida bipolar.- Control independiente de las dos ramas A y B.

5.2.2 Modulación PWM.

Es una modulación muy utilizada en el control de los convertidores dec.c.-c.c., como es el caso que nos ocupa.

La tensión media de salida en los convertidores de c.c.-c.c. se puedecontrolar con una determinada tensión de referencia. Para ello, es posibleutilizar uno o varios interruptores semiconductores. Es mucho más fácil elcontrolar un solo interruptor, y además, en nuestra tarjeta de E/S nodisponemos de demasiadas salidas para ser utilizadas. Estas razones nosobligan a que optemos por el tipo de convertidor más simple y barato, es decir,por la configuración básica de un convertidor reductor o buck que consta deun solo interruptor (realizado con algún dispositivo semiconductor, en nuestrocaso con una configuración darlington) y algunos otros componentes.




Para una determinada tensión continua a la entrada, la tensión media desalida es obtenida mediante los tiempos en que el único interruptor delconvertidor conduce o no conduce. Estos dos tiempos se pueden nombrarcomo Ton y Toff.

El modo de funcionamiento queda aclarado mediante la siguiente figuradel modelo básico de conversión de un convertidor conmutado de c.c.-c.c.

R

+

-

Ve

INT

Vo

Vo=D x VeVo/Ve=D=Ton/T

t

Ve,Vo

Ton ToffT

Figura 5.5 modelo básico de un convertidor c.c-c.c conmutado.

Así pues, el método más usado para el control de la tensión de salida esmediante la utilización de la “modulación por anchura de pulsos”, tambiénllamado modulación de anchura de impulsos (MAI) o PWM (pulse widemodulation).

La modulación PWM consiste en el empleo de una frecuencia deconmutación constante f, tal que T = 1/f, siendo T = Ton + Toff (es decir,




el tiempo o periodo de conmutación es la suma del tiempo de conducciónpor el interruptor más el tiempo de corte en el interruptor), de maneraque variando el tiempo de conducción Ton del interruptor de estadosólido, es posible variar o controlar la tensión media de salida. Existe unparámetro que nos indica la relación entre el periodo de conducción Tony el periodo de conmutación a tiempo o frecuencia constante T; esteparámetro es el “ciclo de trabajo”, también llamado “duty cycle”. Así D =Ton/T.

Existen otros métodos de control más generales basados en la variacióntanto del tiempo de conducción Ton como del tiempo de no conducción Toff,como en la conmutación forzada teniendo también un diseño del filtro desalida más complicado.

COMPARADOR

Vcontrol

Vt

SD (Señalde disparo)

Tensionesantes del

comparador

Vt

Vcontrol

Señalde disparo

Ton Toff

T

Voff

Von

Si Vcontrol>=Vt, SD=VonSi Vcontrol<Vt, SD=Voff

Figura 6. Modulación por anchura de impulsos (MAI).

El circuito básico de generación del control PWM a frecuenciaconstante consiste en ir comparando una señal en diente de sierra o triangular(onda o señal portadora) de frecuencia constante con una señal de referencia




(onda o señal moduladora) de tensión continua que puede ir variando su valor.A la salida del comparador obtenemos la señal de disparo para activar elinterruptor semiconductor. La frecuencia de la forma de onda triangular será lafrecuencia de conmutación del convertidor. En el rango de kilohercios suelenestar los rangos típicos usados como frecuencia constante de la señaltriangular. Para nuestro caso estamos hablando de una frecuencia de 1 a 2Khz.

5.2.3 Diagrama del circuito. Componentes y pistas.

Mediante el programa Orcad V 9. 0 se ha realizado tanto el esquemáticoo diagrama del circuito como la placa de circuito impreso con suscomponentes y pistas.

Se muestran la fuente de alimentación y el convertidor buck.

+15V

GND

+15V

+15V

Neutro

Fase

GND

GND

GND

+15V

U3LM7815

1

2

3VI

GN

D

VO

U1LM7815

1

2

3VI

GN

D

VO

S1

ON/OFF LP1

NEON 220VAC

~

~+-

V1

Puente rectificador

U2LM7815

12

3VIG

ND

VO

T1

220/15, 2A+ C1

4700MF/35V

U4LM7815

1

2

3VI

GN

D

VO

220 VAC

Figura 7. Fuente de alimentación




15 V

15 V

+

-

-

+

R1

POT

U1A4N25

Q1BD139

D1

1N4007M

MO1

MOTOR CC

Q1BD139

MMO1

MOTOR CC

R1

POT

U1A4N25

D1

1N4007

Salida control PWM

Salida control PWM

BOMBA 1

BOMBA 2

Figura 8. Convertidor buck.




Figura 9. Placa fuente alimentación.

Figura 10. Placa convertidor buck.




5.2.4 Funcionamiento. Generalidades.

• El transistor en conmutación.

Para utilizar un transistor bipolar en conmutación, a éste se le hacetrabajar en sus zonas de saturación (transistor en conducción) ó de corte(transistor en no conducción). Que corresponderán a niveles o estados de altoy bajo o viceversa, hablándose entonces de lógica positiva o negativa. Otronombre que se le da a los circuitos de conmutación es el de circuito de dosestados (corte y conducción). En un transistor bipolar BJT no se trabaja en lazona activa porque el transistor presenta en dicha zona elevadas pérdidas depotencia.

En un BJT conviene saber que en el corte (eliminación de las cargasalmacenadas en el transistor), la característica más importante del transistorbipolar es la máxima tensión colector-emisor Vcemax y que en la saturación(donde se requiere aporte de cargas) se requiere de un circuito externo queimponga una corriente de base positiva al BJT, siendo las características másimportantes en saturación, la corriente de colector máxima Icmax y la tensiónde colector-emisor en saturación Vcesat. En saturación, la ganancia decorriente del BJT es muy pequeña, siendo por tanto la corriente de base algoalta para mantener la saturación del dispositivo.

El circuito de polarización de base está diseñado para establecer unvalor concreto de la corriente de base Ib, pero tiene el problema de que laganancia en corriente de un transistor tiene grandes fluctuaciones causadas porcambios en la corriente de colector, cambios en la temperatura o simplementecambios con el transistor en concreto que se esté trabajando. Para solucionaresto, si se le hace trabajar al transistor en saturación, el punto defuncionamiento en saturación estará en el extremo superior de la recta decarga, donde la corriente de colector Ic es máxima. De esta manera aunque seaumente la corriente de base Ib, la corriente de colector se mantendrá fija a unvalor Icsat. Lo único que cambia con un aumento en la corriente de base es laganancia de corriente que disminuye si la corriente de base aumenta. Así pues,para asegurarnos que el transistor va a trabajar en la zona de saturación seelige a menudo para los cálculos que la ganancia de corriente en saturaciónsea de 10, bastante inferior a una ganancia normal de un transistor (entre 50-150). A esto se le llama “saturación fuerte”, porque indica que tendremos unacorriente de base más que suficiente para saturar el transistor aunque varíeligeramente debido a la variación de la corriente de colector, cambio de latemperatura o simplemente, sustitución del transistor.




• Configuración darlington.

Se habla de montaje o configuración darlington cuando los dos o trestransistores se montan en modo híbrido y de transistor darlington cuando setrata de una estructura monolítica.

Una conexión de este tipo consiste en seguidores de emisor conectadosen cascada; por lo común un par de transistores BJT. La corriente de base delsegundo transistor viene del emisor del primero. Como ventajas se puede citarla ganancia en corriente y la alta impedancia de entrada que se ve hacia la basedel primer transistor.

Se usan para conseguir elevadas ganancias de corriente. Siendo laganancia de corriente β = βa · βb + βa + βb = βa · βb, es decir,aproximadamente el producto de la ganancia de cada uno de los transistores,que es muy superior a la obtenida con un solo transistor bipolar.

Existen pares Darlington ya encapsulados y preparados para suutilización como interruptor de potencia que actúan como un solo transistor deuna β muy elevada.

• Optoacoplador.

Mediante el circuito integrado o chip 4N24 se aísla la tarjeta deadquisición de datos DT331 (circuito de auxiliar de mando o de control) delcircuito principal o de potencia que suministra energía a los motores de lasbombas peristálticas. El bajo precio del circuito (aproximadamente 25 ptas.) yla importante función que lleva a cabo (la de aislar eléctricamente ogalvánicamente los circuitos principal y de control), le hacen del todoindispensable.

Este tipo de optoacoplador está compuesto por un diodo emisor de luz,LED, que excita a la base de un fototransistor. El fototransistor tienecorrientes de salida típicas del orden de miliamperios y sus tiempos deconmutación son del orden de microsegundos.

El fototransistor tiene una mayor sensibilidad que un fotodiodo, esdecir, si se hace incidir la misma cantidad de luz en los dos dispositivos, seproduce mucho más corriente en un fototransistor que en un fotodiodo y porello es más ampliamente usado como optoacoplador; sin embargo, tiene una




menor rapidez de conmutación que el fotodiodo (con corrientes de salida delorden de microamperios y tiempos de conmutación del orden denanosegundos). La forma normal de funcionamiento de un fototransistor escon la base abierta para así poder obtener la máxima sensibilidad de luz. Detodas formas, la sensibilidad se puede llegar a controlar mediante unaresistencia variable en la base.

En los anexos se muestra la gráfica de la curva de transferencia o larelación entre la corriente de colector del fototransistor con la corriente deldiodo emisor de luz LED.

• Diodo de libre circulación.

Se pone en paralelo con la carga (realmente en antiparalelo), ya que lacarga es un motor de c.c. que tiene un devanado o bobina. Cuando elinterruptor del convertidor corte la corriente, la intensidad no puede cambiarbruscamente de valor por una bobina, por lo que necesita un camino querecorrer que se lo da este diodo.

Las consideraciones de tipo térmico son indispensables para un buenfuncionamiento de los circuitos. No se han tenido en cuenta por las bajasintensidades que manejan en comparación a la intensidad nominal que puedentrabajar. Si hubiera habido un calentamiento excesivo del componente,optaríamos por acoplarles algún tipo de radiador.

5.3 INTERFAZ PAR BOMBAS DE CA.

5.3.1 Modulación por tiempo proporcional.

Para suministrar la potencia necesaria a una carga, se podría:- Aplicarla en forma “todo o nada”, a partir de la red; éste es el control

proporcional clásico.- Aplicar pulsos de anchura variable y frecuencia constante.- Aplicar pulsos de anchura constante y frecuencia variable.- En corriente alterna, y con control en media onda, aplicar los semiciclos

con ángulo de fase variable.- Hacer lo mismo, pero en onda completa, con lo que uno de los

semiciclos quedará permanentemente intacto.- Actuar sobre el ángulo de fase en los dos semiciclos.




- Conmutar a tensión cero y aplicar ciclos o semiciclos enteros. Porconmutación síncrona.

En todos los casos anteriores, dichos circuitos pueden ser incluidos enun bucle de regulación y control.

Cuando el tiempo de respuesta del sistema puede ser, sin problemaalguno, muy superior a la duración de un período de la alimentación alterna, elprocedimiento de variación de potencia más usual y más cómodo es elfuncionamiento todo o nada, y si se quiere se puede mejorar con la señal decontrol a cero, es decir, controlando que el cambio de conducción a corte yviceversa del dispositivo semiconductor electrónico se realice cuando latensión de alimentación pase justo por cero. Sin embargo, si la variación debetener lugar con una constante de tiempo relativamente baja, es preciso recurrira un recorte de las ondas de tensión alterna, mediante un control de fase.

Tipos de controles más usados:a) De fase.b) Por tiempo proporcional.

a)Los circuitos de control que utilizan dispositivos semiconductores

electrónicos tales como tiristores y triacs, normalmente usan el control de fase.Este control se basa en el disparo de estos semiconductores con un ángulo deencendido adecuado en cada uno de los semiciclos de la onda sinusoidal detensión; de esta forma, se controla la potencia aportada a la carga, que puedeser de c.c. ó c.a.

Figura 11. Sistema de control por fase.




El método de control de fase si bien es simple, tiene algunosinconvenientes, derivados principalmente de la constante conexión brusca delsemiconductor en su acción como interruptor del paso de la potencia. Entreestos inconvenientes tenemos:

- Bajo factor de potencia.- Subida brusca de la corriente.- Interferencias de radiofrecuencia.

b)El sistema de control por tiempo proporcional, se basa en la conducción

del triac o tiristor durante ciclos o semiciclos completos, los cualescorresponden a un número de semiciclos de onda determinado y que puedevariarse a voluntad según los requerimientos del control, dentro de unasecuencia repetitiva, es decir, variando la potencia efectiva mediante larelación de semiciclos de la onda en conducción frente a semiciclos totales (semiciclos en conducción y en no conducción).

Así, si disponemos de un triac (o dos tiristores en antiparalelo), comocontroladores de la potencia de c.a. y fijamos un tiempo T que nos da elperiodo de repetición, el tiempo Ton representa la parte de T durante la cual lacarga recibe la máxima potencia, es decir, el tiempo que el triac estaráconstantemente cebado y por tanto está conduciendo. Conviene que Tonequivalga a un número entero de ciclos cuando queramos que no exista unacomponente continua indeseada.

De esta manera, la potencia recibida en la carga es proporcional a larelación Ton/T = D, llamado “ciclo de trabajo” (Duty cycle). Esta potenciapuede variarse cambiando simplemente el tiempo Ton y manteniendo elperiodo T constante.

Mediante este sistema se consigue eliminar los inconvenientesanteriormente comentados del control de fase.




Figura 12. Sistema de control por tiempo proporcional.

El diagrama en bloques de un circuito por tiempo proporcional sería elsiguiente:

Generador debase detiempo

Generador deonda

rectangularMonoestable

Oscilador deimpulsos de

disparo

Transformadorde impulsos Triac Carga C/A

Vsierra Vrect. Vmono Vo Vtr VL

Vcontr.

Figura 13. Diagrama de bloques.

1.- Generador patrón o de base de tiempo.Es el que produce las ondas en diente de sierra, de duración T. Esteperiodo T puede ser ajustado previamente.2.- Generador de onda rectangular.Es un comparador entre la onda en diente de sierra y la señal de control.3.- Monoestable.4.- Oscilador de impulsos de disparo.5.- Transformador de impulsos.6.- Triac.7.- Carga.




Existen en el mercado circuitos integrados que realizan algunas o todasestas funciones. Por ejemplo el circuito integrado TEA 1511 de ThomsonSemiconducteur ha sido concebido de forma que realice los ciclos “ON-OFF”con los tiempos Ton y Toff, para aplicaciones de regulación proporcional.Permite la sincronización en carga inductiva y asegura además el cierre delcircuito siempre en la misma polaridad de la tensión de red. Estasparticularidades reducen al mínimo los riesgos de sobrecarga de intensidad yde di/dt exagerada, cuando el circuito de utilización posee elementossaturables o impedancias muy variables.

La variación de potencia por trenes de semiciclos se puede realizar de laforma que se ilustra en los anexos.

En la figura siguiente se observa cuál era la disposición de elementospara conseguir el caudal a partir de las bombas de c.a.

0-220VALTERNA

CONTROL0-10 V

CONTÍNUA

AIRE LÍQUIDO

SELLADOHERMÉTICO

CAUDAL OFLUJO

(FLOW)BOMBAS DE 220 V Y DE AIRE

Figura 14. Diagrama de una bomba de presión de aire.




5.3.2 Diagrama del circuito. Componentes y pistas.

Fase

Neutro

+15V

+10 V

Tierra

Q1BTA12-600B

C110nF/400V

R11 KOm

LP1

NEON 220VACS1

ON/OFF

Q1BTA12-600B

RE2

RELAY SPDT

Q2BD139

R3

4,7 KOhm

R4

270 Ohm

R5

10 KOhm

L1Electroimán

220 VAC

Figura 15. Diagrama del circuito.

Figura 16. Placa circuito.




5.3.3 Funcionamiento. Generalidades

• Triac.

Vamos a comentar del por qué usaremos el triac como contactorestático. La aplicación más común del triac consiste en hacerlo funcionar enmodo “todo o nada” en una red alterna. Este tipo de utilización presentabastantes ventajas con respecto a los sistemas mecánicos o electromecánicos:

- Desgaste o deterioro nulo debido al número de conmutaciones.- Apertura automática del circuito a intensidad cero y por lo tanto sin

arco, incluso con carga fuertemente inductiva.- Tiempo de respuesta breve para el cierre del circuito y ausencia de

rechazos durante el paso a conducción.- Baja potencia de la señal de control (mediante intensidad de puerta) con

respecto a la potencia controlada.- Posibilidad de elegir el instante de cebado en la fase y, en particular, la

posibilidad de cebado en el cero de tensión. Así se reduce al mínimo lacreación de parásitos en la red y del entorno.

Usaremos dos triacs, uno principal o de potencia y otro tiristor decontrol. Este último debe absorber durante la fase de encendido, una parte dela energía de conmutación. Su corriente principal servirá como corriente dedisparo para el otro tiristor (el tiristor principal o de potencia).

En el caso de una carga puramente resistiva, la corriente se estableceinmediatamente con el valor Valimentación / R, con cos ϕ = 1, desde elmomento en que se aplica la corriente de puerta Ig. Pero esto es sólo teoría, yaque en la realidad siempre existe alguna componente inductiva que frena lasubida de la intensidad, bajando por tanto di/dt y que desfasa ligeramente elinstante de la interrupción con respecto al cero de la tensión de alimentación.

En el caso de una carga que posea una importante componente inductiva(cos ϕ < 1), la inductancia L limita la velocidad de subida de la corriente adi/dt = Va / L. Siendo Va, el valor instantáneo de la tensión de alimentaciónen el momento de la aplicación de la orden de cebado.




• Snubber.

Después de suprimir la señal de control (la intensidad de puerta altiristor Ig), la corriente persiste en la carga hasta que su valor instantáneo seainferior que la intensidad de mantenimiento en conducción. Pero a causa deldesfase ϕ, la tensión de alimentación en ese instante no será nula. La tensiónen los bornes del triac aumenta, por lo tanto, enormemente para el valorinstantáneo de Va (próximo a la Valimentación), con una velocidad dV/dtelevada. El snubber formado por una capacidad en serie con una resistencia enparalelo con el triac, limita esa dV/dt. El snubber está formado por uncondensador en serie con una resistencia, todo ello en paralelo con el triac.

• Relé.

El aislamiento galvánico entre la tarjeta de E/S y el circuito de potenciase realiza a través de un relé. Esto es posible debido a que los tiempos para elestablecimiento de éste, están en consonancia con el tipo de modulaciónutilizada (por tiempo proporcional). La activación de éste se realiza con untransistor npn cuya salida está invertida con respecto a la señal de control(intensidad de base), de ahí que se utilice la conexión del relé del normalmentecerrado.



BOMBAS. 6 - 1

6.1. Tipos de bombas.

Existen multitud de tipos de bombas, entre ellas podemos destacar lasperistálticas, de engranajes, de jeringa, etc. En los anexos se incluyen algunasbombas, junto con características de las mismas.

La elección de una u otra bomba en principio es difícil, pero las másampliamente usadas en el tema que nos concierne son las peristálticas. Esto esdebido principalmente a su precisión, fiabilidad y fácil regulación.

El elemento principal de una bomba peristáltica es el elemento motriz,que consiste en un motor, en nuestro caso es un motor de c.c. La buena ycorrecta regulación de estos motores en la práctica está conseguida desde hacetiempo. Existe una versión mejorada de bombas peristálticas, ya que la bombaperistáltica normal tiene variaciones en el caudal de tipo oscilatorio en cadarevolución del eje del motor. Las curvas de trompeta que tienen estas bombasmejoradas las harían idóneas para nuestro propósito. De todas formas lasvariaciones en el caudal con nuestras bombas no son significantes para nuestrosistema.

Las bombas de aire que se usaron primeramente, son en realidad unelectroimán asociado a un fuelle que impulsa el aire que extrae del exterior,dando una presión al dispositivo. El consumo de estas bombas es muypequeño, de 15 mA como máximo de c.a. con una tensión de alimentación de220 V. Su flujo o caudal sin regular era de 300 cc (centímetros cúbicos omililitros) cada minuto (demasiado alto).

Las soluciones para la regulación del caudal con este tipo de bombas depresión de aire, pasaban por la regulación de su tensión de alimentación a220V. Se pensó en las siguientes soluciones:

- Control mediante triac.- Montaje en H.- Microprocesador, DPS, regulador digital, ...

6. BOMBAS.



BOMBAS. 6 - 2

- Comprarlo ya hecho.

Las ventajas de estas bombas son que tienen un precio bajo y asequiblepara poder adquirir las 4 bombas necesarias (aproximadamente diez milpesetas cada una), poseen un flujo que es muy continuo y este caudal es singrandes brusquedades.

Las desventajas son que es muy difícil de cambiar rápidamente el valordel caudal, ya que tiene un tiempo muerto o de actuación el sistema de casi 3segundos, mala precisión (a medida que el nivel del liquido baja, cambia elcaudal, bajando también éste débilmente), y el caudal depende de laresistencia que se le ofrezca a dicho flujo o caudal, es decir, del tipo de tubousado, de su diámetro y de su longitud. Además le afecta la altura a la que sepongan las bombas, y lo peor es la presión o resistencia que le ofrezca lasalida del fluido en su punto final. También necesita realimentación el sistemapara un buen control del caudal. Esto implica la adquisición de sensores depequeño caudal que suelen ser caros.

Por todas las razones expuestas anteriormente, se recurre a las bombasperistálticas que solucionan todos los problemas anteriores. Ahora nosenfrentamos únicamente con uno, pero importantísimo: el coste de las bombasperistálticas es de aproximadamente doscientas mil pesetas por unidad. Elhaber conseguido dos de ellas nos permiten hacer un primer abordaje sobre elestudio del control del sistema de perfusión a través de este tipo de bombas,que son rutinaria y ampliamente usadas hoy por hoy en los hospitales(departamento de electromedicina). En diálisis se tiene un ejemplo típico deeste tipo de bombas.

6.2. Bombas peristálticas.

Están compuestas por un cabezal, un tubo flexible y un motor. Elcabezal consta de dos partes solamente, el rotor y la carcasa. El tubo se colocaen su soporte, entre el rotor y la carcasa, donde queda ocluido (apretado). Losrodillos del rotor se mueven presionando el tubo empujando el líquido. Alrecuperar su forma el tubo se crea un vacío que arrastra el fluido. La velocidaddel líquido o caudal, se determina multiplicando la velocidad por el volumentotal de líquido arrastrado dentro del tubo durante una vuelta del mismo.

Los principios de una maquina de corriente continua son necesariospara entender el funcionamiento del motor de c.c. que tienen nuestras bombas.



BOMBAS. 6 - 3

Un trozo de conductor de longitud dl, por el que circule una corrienteeléctrica i y dentro de un campo de inducción B, es objeto de dos fenómenosinseparable. Estos son:

- Creación de una fuerza mecánica. Cuya expresión vectorial obedecea la ley de Biot-Sarvat.

dF = dl · i ϖ B.

- Creación de una fuerza electromotriz. Cuya expresión vectorialobedece a ley de inducción de Faraday. El signo menos de lasegunda ecuación, es una expresión de la ley de Lenz (la direccióndel voltaje inducido en la bobina es tal que si sus extremos sepusieran en cortocircuito, produciría una corriente que causaría unflujo para oponerse al cambio de flujo original).

de = dl · (v ϖ B); o bien, e = - (dφ / dt)

En la constitución de una máquina de c.c., para asegurar eldesplazamiento de los conductores en un campo de inducción, las máquinaseléctricas constan de dos partes separados por un entrehierro. Una parte fija óestator y una parte móvil ó rotor.

Mientras el estator produce el campo, es decir, es el inductor; el rotorsoporta los conductores activos, siendo el inducido. Los conductoressolidarios del rotor pasan alternativamente delante de un polo norte y de unpolo sur y son por tanto, objeto de f.e.m. alternas. El colector permite obteneruna f.e.m. cuya resultante es siempre del mismo signo. Así el conjunto delinducido desempeña la función del rectificador.

Una máquina de c.c. puede actuar como generador o como motor. Lasnuestras actúan como motor convirtiendo la energía eléctrica en mecánica ymoviendo la carga. También actúan como generador convirtiendo la energíamecánica del giro del eje, en una energía eléctrica función de la velocidad delmotor (tacómetro).

En el caso particular que nos ocupa de una máquina de flujo constante,ya que es de imán permanente (si tiene devanado inductor sería alimentadopor una corriente constante) y si la reacción magnética del inducido estácorrectamente compensada, se considera un flujo útil constante:



BOMBAS. 6 - 4

k = - k’ · φ ; fcem = - e ;

De aquí podemos deducir las relaciones llamadas “ecuacioneselectromecánicas”:

fcem = k·Ω ; T = k·i ;

donde k es el coeficiente de velocidad expresado en V/rad/s, o de parexpresado en N·m/A

Hay varios tipos de motores de c.c. Esta clasificación depende de cómose consiguen sus flujos de campo: con excitación externa, en derivación, el deimán permanente, en serie y compuesto.

La manera como se deriva el flujo influye en el modo como éste varíacon respecto a la carga, lo que afecta a la característica momento de torsión-velocidad total del motor.

En un motor de c.c. de imán permanente (al igual que con uno enderivación o con excitación externa) se tiene una característica momento detorsión-velocidad en el que la velocidad desciende linealmente en proporcióndirecta al aumento del momento de torsión. Su velocidad se puede controlarvariando la resistencia del inducido o variando el voltaje en el inducido, peronunca variando la corriente de campo que es constante.

El método de variar el voltaje en el inducido es el más común yempleado, por servir para cualquier tipo de motor de c.c., y es el que se harealizado.

El control de velocidad de un motor de c.c. variando el voltaje deinducido se basa en que si se aumenta el voltaje Va, entonces la corriente deinducido en el motor debe elevarse por tanto. Dado que :

Ia = (Va – E)/Ra.

A medida que crece Ia, el momento inducido Ta = k’·φ·Ia tambiéncrece, haciendo que Ta > T en la carga, luego se incrementa la velocidad w delmotor. Sin embargo a medida que aumenta la velocidad w del motor, elvoltaje interno generado E = k’·φ·w, también aumenta, provocando que lacorriente de inducido Ia disminuya. Esta disminución de la Ia rebaja el



BOMBAS. 6 - 5

momento inducido haciendo que Ta iguale a T en la carga a una mayorvelocidad de rotación w.

En la figura se puede ver el efecto que produce un aumento de Va sobrela característica momento de torsión- velocidad de un motor de c.c. de imánpermanente. La velocidad en vacío del motor se cambia aunque la pendientede la curva permanezca constante.

Velocidad (rpm)

Par T

0,7 V0,3 V

V

Curvas par/velocidadpara un motor de c.c.

controlado por el inducido

Figura1. Curvas par-velocidad-tensión.

En pequeños motores, la elevada intensidad que tendría en el instantedel arranque será limitada por la propia resistencia del inducido que sonbobinados de un gran número de espiras de hilo delgado. Tanto el par como lavelocidad dependerán de la tensión aplicada al inducido, Va. Los motores sinarmadura se componen de un estator formado por un imán permanente ycilíndrico en cuyo interior se encuentra el rotor en forma de una serie dearrollamientos que forman una estructura también cilíndrica, sin que en suinterior se encuentre ninguna armadura o núcleo metálico. Su ventaja radicaen su baja inercia al no tener que moverse una masa relativamente elevada,además la tensión necesaria para el arranque es bastante débil lo que les hacemuy útiles para aplicaciones de servomecanismos en los que los motoresnecesitan funcionar en un amplio rango de tensiones de alimentación.

Las ventajas de estos motores son:- No requieren un circuito de campo externo.



BOMBAS. 6 - 6

- No tienen pérdidas de cobre del circuito de campo.- Pueden ser más pequeños al no necesitar bobinas de campo.- Son particularmente comunes.- La velocidad resultante es bastante uniforme aunque varíe la carga con

Va constante.

Las desventajas son:- No se puede conseguir una densidad de flujo alta (Ta por Ia menor a

iguales características).- Presentan riesgo de desmagnetización por la reacción de inducido o por

calentamientos prolongados.- Débil par de arranque.- No soportan bien las sobrecargas.

6.3. Curvas de trompeta

Conceptos matemáticos:

Flujo instantáneo

Figura 2. Caudal instantáneo.

Qi=(Vi-Vi-1)/(ti-ti-1)Variación de volumen en el tiempo de muestreo

Permite ver, para cada intervalo de muestreo, en qué medida se separael flujo del valor prefijado, a la vez que proporciona una informacióninmediata y visual de la continuidad del flujo en un determinado periodo deanálisis 'T'.

0

5

10

Caud

al (m

in)

Tiempo (min)

0 20 40 60 80 100 120



BOMBAS. 6 - 7

Curvas de trompeta

Se definen los siguientes términos:

Ventanas de observación: Dentro de un test de periodo 'T' se puedenextraer, en función del intervalo de muestreo 'S', un número 'm' de ventanas deobservación, cada una de 'P' minutos, de acuerdo con la fórmula:

m=(T-P)/S+1

Error de flujo instantáneo 'ei': Error de flujo para cada muestra sucesivaa lo largo de un periodo de análisis determinado.

ei=(Qi-r)/r (%)

Error de flujo medio 'Ep(j)': Error de flujo medio a lo largo decualquiera de las 'm' ventanas de observación de 'P' minutos.

j-1+P/SEp(j)=Σ(ei S/P) (%)

i=1

Error de flujo medio máximo 'Ep(max)': Máximo error de flujo medioproducido a lo largo de las 'm' ventanas de observación de 'P' minutos.

mEp(max)=Max Ep(j) (%)

j=1

Error de flujo medio mínimo 'Ep(min)': Mínimo error de flujo medioproducido a lo largo de las 'm' ventanas de observación de 'P' minutos.

mEp(min)=Min Ep(j) (%)

j=1



BOMBAS. 6 - 8

Gráficamente:

Figura 3. Curva de trompeta.

Analizando una curva típica de trompeta como la de la figura, seobserva que los porcentajes de error de flujo medio máximo y mínimo sonmás altos cuanto menor es la duración de la ventana de observación y que, amedida que se aumenta la duración de la misma, el error va disminuyendo deforma asintótica.

Esta pauta de comportamiento se explica con el siguiente ejemplo:Para un periodo de análisis 'Tx=1 hora' y un tiempo de muestreo 'S=30

segundos' según las fórmulas anteriores se cumple que:• Si P=2 minutos → m=117 → Ep(j)= Media de 4 términos.• Si P=31 minutos → m=59 → Ep(j)= Media de 62 términos.

Esto indica que si hay una medida de flujo instantáneo dentro de unaventana de P=2 minutos que difiere considerablemente del valor prefijado,ésta va a reflejar significativamente su influencia en la media, calculada eneste caso con tan solo cuatro términos. Como hay m=117 ventanas deobservación, la probabilidad de que esta anomalía no se detecte es nula, yaque necesariamente esta medida forma parte de alguna de esas 'm' ventanas.

Por el contrario, si los valores de flujo instantáneo se ajustan al dereferencia, la influencia sobre la media de cualquier anomalía en el flujo quese produzca en alguna de las m=59 ventanas de observación se ve minimizadaporque, en este caso, esta media se realiza con sesenta y dos términos.

La norma UNE-EN 60601-2-24 da conformidad a una curva detrompeta siempre que el error de flujo medio para las ventanas de

-20

-10

0

10

20

0 5 10 15 20 25 30

Ventanas de observación (min)

Erro

r (%

) (+/

- 0.0

1%)

MínimoMáximo



BOMBAS. 6 - 9

P=(2,5,11,19,31) min no supere un margen de tolerancia de +/- 15 %. Esto noquiere decir que el análisis del comportamiento asintótico n sea necesario;queda implícito en las fórmulas que, cuanto más rápido tiende el error de flujomedio a valores bajos o próximos a cero, mayor es la precisión de la bomba.

Porcentaje de flujo medio

Es el error de flujo en tanto por ciento que se produce al tomar la mediade flujo a lo largo de un periodo de análisis 'Tx' dentro de un test de duracióntotal 'T'.

A=100 (Q-r)/r (%)

Qi=(Vj-Vk)/Tx (ml/h)

Su magnitud indica la regularidad de la perfusión. En términosmatemáticos, podría decirse que es una condición necesaria pero no suficientepara asegurar que el comportamiento de una bomba es el adecuado. Equiposcon una banda de proporcionalidad alrededor del valor prefijado,excesivamente ancha, pueden presentar un parámetro 'A' cercano al 0% si elvalor de referencia permanece a lo largo del periodo de análisis próximo alvalor medio de esta banda.

Su signo nos indica si a lo largo de un periodo de análisis 'Tx' elsuministro se ha efectuado, como media, por encima o por debajo del valorprefijado.

El porcentaje de error del flujo medio, junto con la banda deproporcionalidad, indican el comportamiento del dispositivo de perfusión;información que debe ser complementada necesariamente mediante el análisisdel flujo instantáneo y de las curvas de trompeta características.



PROGRAMACION. 7 - 1

7.1. Programas usados.

Se han usado distintos programas para la realización e implementaciónde este proyecto. Todos ellos bajo el sistema operativo Windows 95 ó 98.

• WORD 97 y 2000. (Como procesador de texto para la elaboración delpresente proyecto).

• EXCEL 97. (Como hoja de cálculo para la introducción de los valoresde T / [C] / t mediante una tabla).

• POWERPOINT 97. (Para la presentación de la defensa del proyecto).

• AUTOCAD LT. (Para la realización de algunos dibujos).

• SMARTDRAW V 6. ( Para la realización de algunos otros dibujos).

• ORCAD V 9.0. (Para la realización de los esquemas de circuitos,disposición de componentes y placas de circuito impreso).

• TANGO. (Similar al Orcad. Se anexa un tutorial sobre el uso de esteprograma).

• MATLAB V 4.2 (Para la realización de cálculos y algunos programasde los anexos).

• DT VPI. V 6.0 Data Translation Visual Programming Interface.(Se usa para la programación de la tarjeta de adquisición de datos DT331 y su entendimiento con el programa HP VEE. También es posibleprogramar en LabView de National Instrument, otro lenguaje deprogramación quizás algo mas conocido, pero para ello se debe usar elprograma DT NI.

7. PROGRAMACION



PROGRAMACION. 7 - 2

• HP VEE. V 3.2.1, V 5.0 y V 6.0 (reducida). Hewlett Packard VisualEngineering Environment.(Este lenguaje de programación gráfico se usa para la programación delsistema de control. Se van calculando los caudales y tensiones quedeben de tener las bombas en tiempo real a partir de un perfildeterminado de temperaturas, concentraciones y tiempos. También escapaz de gestionarnos la monitorización y el sistema de supervisión,haciendo de sistema SCADA).

7.2. Programación en HP VEE.

Existe un fichero (de extensión 'vee' y sólo en el caso de que se hayapreviamente instalado la tarjeta DT 331 y el programa que la gestiona, el DTVPI) que trae incorporado el HP VEE en su directorio de ejemplos, subcarpetade adquisición de datos, que nos permite probar las salidas analógicas de latarjeta de adquisición de datos DT 331 y del que se hizo uso.

Aquí lo mostramos, modificando un poco su presentación original. Seobserva el tipo de entorno visual de programación y los objetos que aparecen.

Figura 1. Prueba de las salidas analógicas de la tarjeta de E/S.



PROGRAMACION. 7 - 3

Figura 2. Realización de un controlador PWM.



PROGRAMACION. 7 - 4

También se realizó un pequeño programa que nos realizaba un PWMmediante la comparación de una señal de referencia con una señal en diente desierra a frecuencia constante, basándonos en el programa o fichero anterior.

Se muestra el programa realizado en la figura 2.

Mediante la programación en HP VEE se puede realizar pues, unsistema de adquisición de datos basado en PC. Los datos adquiridos puedenser representados en pantalla, archivados en un fichero, sacarlos porimpresora, etc. Puede a su vez este programa gestionar los instrumentos demedida de la casa HP.

Las aplicaciones desarrolladas en HP VEE se guardan como ficheros deextensión ‘vee’. A través de un diseño gráfico, modular y de diagramas debloques, junto con sus herramientas y la conexión de estos bloques, se puedenrealizar casi cualquier aplicación, mediante esta programación visual poriconos. En particular, también se puede programar en HP VEE el sistemaSCADA para adquisición de datos, control y monitorización de procesos.

La arquitectura del software del HP VEE es una plataforma abierta quepermite integrar sus programas en aplicaciones diversas para compartir datosde entrada y salida en tiempo real.



BIBLIOGRAFIA. 8 - 1

8.1. Libros.

(Autor; Título; Editorial. Edición. Año.)

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- Suintra. Suministros industriales y transmisiones [email protected]



BIBLIOGRAFIA. 8 - 4

- Ariston. Catálogo general.

- Ismatec.http://www.ismatec.com

- Data Translation.http://www.datatranslation.com

8.3. Direcciones en internet.

CRIOPRESERVACION:

http://www.cryonics.org/

http://www.cryonics.org/comparespanish.html (español)

http://www.cnb.uam.es/~transimp/criomouse.html (español)

http://www.cryocare.org/

http://www.transtime.com/

http://www.merkle.com/

http://www.merkle.com/cryo/

http://www.benbest.com/

http://www.asymptote.co.uk/cryo/manual.shtml

http://www.taconic.com/library/biblio.htm (varios artículos referentes a lacriopreservación)

http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/user/tsf/Public-Mail/cryonics/html/overview.html

http://www.cryonet.org/

http://www.alcor.org/library.html



BIBLIOGRAFIA. 8 - 5

http://www.aleph.se/Trans/Individual/Cryonics/#BOOKS (muchos enlacesy textos)

MOTORES:

http://e-www.motorola.com/motor/appnote.html

http://www.uni-tec.edu.uy/electronica/links/link_etron.html

http://www.epanorama.net/motorcontrol.html (habla de AC, vienenejemplos de circuitos de control)

http://www.epanorama.net/motorcontrol.html (habla de AC, vienenejemplos de circuitos de control)

MAS DIRECCIONES DE INTERES:

http://www.globalspec.com/Frames?Url=http%3A//www.globalspec.com/ProductFinder/BrowseProducts%3FHierachyID%3D3000000%26SE%3DGT

http://lupus.worldonline.es/ivantrue/proyectos/motores/motores.htm#funcional (interesante pero de CC y PAP).

http://www.distrito.com/usuarios/juanchi/ (ver apartado Cenece, motoresCC y PAP).

http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ (vienen enlaces a otras paginas sobrecontrol de motores)

http://www.ti.com/sc/docs/apps/digital/kits.htm (hay que apuntarse)

http://www.ti.com/sc/docs/apps/digital/index.htm

http://www.amidata.es

http://www.ab.com/manuals/

http://www.industrialthecnology.co.uk



BIBLIOGRAFIA. 8 - 6

http://www.ti.com

http://www.control.com

http://www.st.com

http://www.national.com

http://www.irf.com

http://www.sec.samsung.com

sistema de perfusion con crioprotectores y …ramonrd/proyecto_ricardo/proyecto.pdf · termistores...

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