DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA EN UNA INCUBADORA

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA EN UNA INCUBADORA

Cristian Andrés Hernández 1, Santiago Alejandro Trujillo 1 y Neil Camilo Cubillos Morales 1

1Estudiante Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad de Cundinamarca, Colombia

Una incubadora es un dispositivo que permite el desarrollo de crías en un ambiente artificial y controlado. En el diseño, elaboración e implementación de la incubadora, se tienen en cuenta parámetros relevantes que hacen exitosa la gestación, tales como: la temperatura ideal, en este caso se plantea una incubadora para huevos de gallina, los cuales deben estar en una temperatura promedio de treinta y siete grados centígrados; la rotación de los huevos es otro de los parámetros importantes, donde se debe aplicar un movimiento en este cada tres horas aproximadamente con el fin de que los embriones no se peguen al cascaron. El propósito principal del proyecto investigativo es el desarrollo de un sistema de control análogo que permita mantener una temperatura constante dentro de la incubadora construida; para la obtención del éxito de este proyecto de control es necesario seguir una serie de etapas que van desde la construcción estructural de la incubadora hasta la caracterización del sistema y el diseño del controlador más recomendable para dicho propósito. Se abarcan otras etapas a profundidad como el diseño de la circuitería análoga para cada proceso del sistema y el sistema de rotación automático para el giro de los huevos.

Palabras Clave: Incubadora de Huevos, Sistema de Control, Control de Temperatura, Control Proporcional, Control Análogo, Sintonización ziegler y Nchols, Matlab.

1. INTRODUCCIÓN

El diseño, implementación y montaje de la incubadora, se realiza basada en una fundamentación teórica, acerca de los requerimientos necesarios para una buena incubación de los embriones. Se realizan varias etapas de montaje y diseño, donde se utilizan diferentes conocimientos principalmente de electrónica y control análogo.

En primera instancia se realiza la parte estructural de la incubadora, una caja aislada con poliestireno expandido y bolsas aluminizadas, y demás requerimientos necesarios para hacer la caracterización del sistema. Esta caracterización permite observar el comportamiento del sistema en función del tiempo y con esto obtener una función de transferencia.

Con la caracterización realizada, se procede a esquematizar un controlador proporcional mediante el método de sintonización Ziegler-Nichols [8], el cual controla la temperatura de la incubadora y la mantiene a un nivel deseado, en este caso 37.5°C.

Posteriormente a esto se deben diseñar diferentes circuitos que contribuyen al correcto funcionamiento del controlador tales como: fuente dual de 12v, PWM análogo, circuito de potencia con opto-acoplador y triac. Adicionalmente se optimiza la incubadora, con una banda transportadora que cumple con la función de rotar los huevos cada tres horas. Para esto se implementa un motor de 7 revoluciones por minuto (rpm), controlado con un temporizador digital construido con un microcontrolador (Arduino).

El artículo hace especial énfasis en el control de temperatura ya que es el factor más relevante, las demás variables se controlan en forma de lazo abierto, donde no se hace una realimentación de las variables a controlar.

1. DISEÑO METODOLOGICO

La metodología llevada a cabo se basó en una sucesión de etapas en cascada.

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Figura 1, Metodología Proyecto de Investigación

Los pasos nombrados anteriormente son los requerimientos tomados en cuenta, se resalta que cada actividad esta antecedida de un diseño y pruebas específicas, con esto asegurar con certeza un éxito.

• Materiales Implementados:

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Figura 2, Lamina 1.5mx2m MDF 10mm y 60*50 3mm, fuente: [1]

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Figura 3, Motor AC 120 voltios 7 rpm, fuente: [2]

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Figura 4, bolsas aluminizadas, fuente: [3]

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Figura 5, Poliestireno expandido, fuente: [4]

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Figura 6 vidrio convencional 2mm 35x20, fuente [5]

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Figura 7, ventilador 12 voltios, fuente: [6]

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Figura 8, Sensor de temperatura LM35, fuente: [7]

1. RESULTADOS

• Construcción Estructural:

Se realizó la construcción estructural de la incubadora mediante el uso de madera tipo MDF de 12mm, por su fácil acceso y bajo costo monetario. Se contó con un tamaño de 65 cm de largo, 45 cm de ancho y 50 cm de alto, con tapa; estas medidas fueron pensadas para la incubación de 12 huevos en total.

[pic 9]

Figura 9, Caja Incubadora de MDF

Para una mejor conservación del calor se recomendó aislarla térmicamente mediante el uso de Poliestireno expandido  y bolsas aluminizadas. Se optó por la instalación de un vidrio de 30cm por 20cm de ancho en su tapa, con el propósito de visualizar su interior sin necesidad de abrirla.

En su instalación eléctrica se adaptó bombillo incandescente de 200w con su respectiva roseta, junto con un ventilador de computador de 12v con el fin de expandir y circular el calor dentro de la incubadora.

Durante el proceso de incubación es recomendado el volteo regular de los huevos para que el embrión no se adhiera a las paredes de este; con la recomendación anterior se ideo el uso de una banda transportadora que permitiera el movimiento automático de los huevos. El uso de esta banda permite un movimiento rotacional gracias a la fricción que ejerce está en el huevo y con la ayuda de topes en forma de rejilla en sus extremos permite un desplazamiento en su propio eje. Se optó por el uso de un motor AC de siete revoluciones por minuto para generar un movimiento suave controlado con un arduino y un relé que es accionado cada 3 horas por 10 segundos.

En la figura 10 se observa el posicionamiento del bombillo y del ventilador el cual es ubicado lo más cerca al bombillo permitiendo la distribución del calor.

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Figura 10, Posicionamiento Ventilador y Bombillo

Se puede observar en la Figura 11, la incubadora en su interior, observando su aislamiento térmico, posicionamiento del sensor LM35 y la adaptación de la banda transportadora con su respectiva rejilla.

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Figura 11, Incubadora Aislada en su Interior

[pic 12]

Figura 12, Incubadora Exteriormente

• Caracterización del Sistema:

Para observar el comportamiento del sistema o incubadora se procedió a graficar su curva de transferencia para posteriormente encontrar su función.

Mediante el uso de un circuito PWM junto con una etapa de potencia compuesta por un optoacoplador y un triac se hizo una variación lineal de la intensidad del bombillo.

En primera instancia se ajustó el PWM a un 50% de su ciclo de trabajo, obteniendo en la entrada del bombillo un voltaje promedio de 60v AC. Con la ayuda del sensor LM35 se tomó los datos de voltaje vs tiempo para poder realizar posteriormente su gráfica. Al llegar a un punto de estabilización de la temperatura, se aplicó un sobre impulso, es decir se llevó el PWM del 50% a un 70% y se continuo con la toma de datos. Al llegar a un punto de estabilización se dio por terminada la toma de datos y se procedió a graficar los datos obtenidos como se muestra en la figura 13.

Cabe destacar que el sensor LM35 genera una salida de 10mv cada grado centígrado.

[pic 13]

Figura 13, Curva de Transferencia Incubadora con Sobre impulso

Se tomaron los datos obtenidos después de aplicar el sobre impulso como curva de transferencia y se pasó por una opción de filtrado que permitiera suavizar la gráfica; para esto se usó la función smooth de MatLab.

Con la gráfica obtenida se determinó que se contaba con un sistema de primer orden mediante el método de Van der Grinten y se encontró su función de transferencia.

[pic 14]

Figura 14, Curva de Transferencia Incubadora

Con los valores del tiempo de estabilización y el valor del Primer Tau se encontró la función de transferencia para un sistema de primer orden.

         (1)[pic 15]

• Diseño y Sintonización del Controlador:

Mediante el método de sintonización de ziegler y Nchols se procedió a realizar los cálculos de un controlador P, PI y PID; con la ayuda de simulink de Matlab y su bloque PID controller se observó las respuestas ante cada controlador y se optó por un controlador tipo P al observar un mejor comportamiento en el tiempo de estabilización respecto a los otros tipos de controladores.

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