“SISTEMA SCADA PARA UN BIORREACTOR”
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1 “SISTEMA SCADA PARA UN BIORREACTOR” JORGE ALEJANDRO ALVARADO MORA GERMAN ANDRES GARCIA CASTILLO PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRONICA BOGOTÁ D.C. 2011
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“SISTEMA SCADA PARA UN BIORREACTOR”
JORGE ALEJANDRO ALVARADO MORA
GERMAN ANDRES GARCIA CASTILLO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA ELECTRONICA
BOGOTÁ D.C.
2011
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“SISTEMA SCADA PARA UN BIORREACTOR”
JORGE ALEJANDRO ALVARADO MORA
GERMAN ANDRES GARCIA CASTILLO
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TITULO DE INGENIERO
ELECTRONICO
DIRECTOR
ING. FREDY O. RUIZ Ph. D.
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA ELECTRONICA
BOGOTÁ D.C.
2011
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
RECTOR MAGNÍFICO: JOAQUIN EMILIO SANCHEZ GARCIA, S.J.
DECANO ACADÉMICO: Ing. FRANCISO JAVIER REBOLLEDO MUÑOZ
DECANO DEL MEDIO UNIVERSITARIO: P. SERGIO BERNAL RESTREPO, S.J.
DIRECTOR DE CARRERA: Ing. JUAN MANUEL CRUZ BOHORQUEZ, M.Ed.
DIRECTOR DEL PROYECTO: Ing. FREDY O. RUIZ Ph.D.
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ARTÍCULO 23 DE LA RESOLUCIÓN No. 13 DE JUNIO DE 1946
"La universidad no se hace responsable de los conceptos emitidos por sus alumnos en sus
proyectos de grado. Sólo velará porque no se publique nada contrario al dogma y la moral
católica y porque los trabajos no contengan ataques o polémicas puramente personales. Antes
bien, que se vea en ellos el anhelo de buscar la verdad y la justicia".
Artículo 23 de la Resolución No. 13, del 6 de
julio de 1946, por la cual se reglamenta lo
concerniente a Tesis y Exámenes de Grado
en la Pontificia Universidad Javeriana.
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AGRADECIMIENTOS
A mis padres, hermanas, familiares, amigos y todos los demás que estuvieron en parte o todo el camino
apoyando, presionando o solamente para hacer compañía de distracción; La experiencia de unos cuantos
años de una etapa llena de alegrías y logros como también de tristezas y decepciones pero que al final se
convierten en sabiduría y metas cumplidas. Todos sabemos que nada es fácil cuando existe una meta,
siempre hay que luchar y enfrentarse a múltiples piedras en el camino, pero lo más valioso no es llegar
primero, sino tener el orgullo de que se luchó duro hasta el final y a cambio de esto se recompensa un gran
esfuerzo obteniendo el título de Ingeniero Electrónico.
Ahora bien, el final de este cuento ha llegado, y queda por delante un reto aún más grande, ser funcional
para una comunidad, con preparación y dedicación para poder solucionar los problemas a los que uno se
enfrente. Gracias a Dios por permitirme llegar al final de ésta primera etapa con bienestar y salud, y
gracias infinitas a mi Luna, que me acompaña constante, perseverante y comprensible tanto en los días
soleados como en las noches nubladas.
Germán A. García C.
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TABLA DE CONTENIDO
1. Introducción……………………………………………………………………….…………..…..7
2. Especificaciones………………………………………………………………………………...….9
3. Desarrollo del proyecto…………………………...……………………………………………..10
3.1 Protocolo de comunicación……………………………...………………..…………………..10
3.1.1 Profibus con tarjeta de adquisición……………………..………..……………….….10
3.1.2 Conexión 4-20mA…………………………..…………………..…………………....12
3.2 Interfaz con el biorreactor…………………………………..…………..………………….…13
3.2.1 DAQ Assistant…………………………...………………..…………………….…...13
3.2.1.1 Interfaz de entrada…………………………………………………..……….…..13
3.2.1.2 Interfaz de Salida………………………………....……………………………...14
3.3 Sistema SCADA……………………………………………..…………....…………………..15
3.3.1 Diseño interfaz humano máquina.………………………………………………..….15
3.3.2 Desarrollo de Alarmas……………………………………………………………….16
3.3.2.1 Alarma de Temperatura……………………………………….…………………16
3.3.2.2 Alarma de Agitación……………………………………….……………….……18
3.3.2.3 Alarma de Oxígeno………………………………………..….…………….……18
3.3.2.4 Alarma pH…………………………………..………..…………………….……18
3.3.3 Configuración de la señal de referencia……………………………………..….……18
3.3.3.1 Señal de referencia de Temperatura……………………………....………..……18
3.3.3.2 Señal de referencia de Agitación………………………………………..…….…19
3.3.3.3 Señal de referencia de pH …………………….…………………………...….…19
3.3.3.4 Señal de Referencia de Oxígeno………….………………………………..….…19
3.3.4 Generación de Históricos………….……………………………...……………….…19
3.3.4.1 Generación de archivo de datos………….……………………………...…….…19
3.3.4.2 Generación de gráficos de histórico………….……………………...……..……20
4. Evaluación de funcionamiento………….…………………………………….……...……….…21
4.1 Objetivos de las pruebas………….…………………………….……………………….….…21
4.2 Pruebas en el cultivo………….………………………………...…………………..…..….…21
5. Conclusiones………….…………………………………………………………………….….…24
6. Bibliografía………….…………….………………………………………………….….……….25
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1. INTRODUCCIÓN
Este trabajo hace parte de un macro proyecto de investigación llamado “Control Automático de
Concentración de Oxígeno disuelto en un Biorreactor” liderado por el ingeniero Fredy Ruiz Palacios
financiado por la Pontificia Universidad Javeriana y aprobado por la vicerrectoría de la universidad. En el
cual se está diseñando e implementando un sistema de control automático multivariable de concentración
de oxígeno disuelto en el biorreactor existente en el Instituto de Errores Innatos del Metabolismo. [1]
En este proyecto se realiza un control supervisorio para los diferentes lazos de control del biorreactor
mencionado anteriormente. Este cuenta con los siguientes lazos: Agitación, Oxígeno Disuelto, Espuma,
Temperatura, pH.
El sistema de agitación se encarga de proporcionar una buena mezcla por dos motivos, primero para
aumentar la tasa de transferencia de oxígeno y, segundo, para igualar la temperatura, pH y concentración
de nutrientes dentro del cultivo.
El sistema de control de oxigeno se encarga de generar presión para inyectar aire al biorreactor, más
adelante un agitador rompe ese aire entrante en pequeñas burbujas para transferir oxígeno al cultivo.
El sistema de control de espuma se encarga de reducir el espacio libre en el biorreactor para evitar que se
produzca espuma debido a diferentes factores como la velocidad de agitación o componentes disueltos en
el medio que produzcan espuma.
El sistema de control de temperatura se encarga de mantener dentro de un rango normal la temperatura
interna del sistema, estas condiciones normales se definen en más adelante durante el desarrollo del
proyecto. Este tiene dos acciones, calentar por medio de una resistencia y enfriar por medio de agua fría.
El sistema de control de pH introduce por medio de bombas peristálticas ácidos y álcali para aumentar o
disminuir el pH dependiendo de lo que se necesite.
Actualmente el programa Biolog de Bioengineering realiza la supervisión de las variables mencionadas
por medio de una interfaz gráfica en la cual se pueden ver las últimas cuatro horas de proceso y almacena
estos valores en tablas. Por otra parte, el programa no tiene un sistema de reporte de alarmas por lo tanto
los operadores no son informados adecuadamente de los cambios en el sistema, sean cambios de fase o
eventos inesperados.
Este proyecto desarrollado en Labview 2010 soluciona algunas de las limitaciones de Biolog, con el
desarrollo de un sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) para obtener en línea las
curvas de tendencia de las variables ya mencionadas, las cuales se almacenan y visualizan en cualquier
momento. Adicionalmente, genera alarmas que permiten determinar los eventos presentados durante el
proceso. Estos gráficos son útiles para poder sintonizar los controladores del sistema y así poder realizar
las acciones de control correspondientes en el momento que sea necesario.
El sistema SCADA muestra en su pantalla principal la condición actual de los controladores, las alarmas
del sistema y el valor de cada señal de referencia con su respectiva barra de control que permite al
operador controlar de forma simple las variables del Biorreactor y hacer los cambios necesarios para el
correcto desarrollo del proceso que se esté realizando en el sistema. [2]
El objetivo general del proyecto fue realizar un sistema SCADA para los lazos de control del biorreactor
del Instituto de Errores Innatos del Metabolismo.
Más específicamente, a continuación se enumeran cada uno de los objetivos específicos planteados en el
proyecto:
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Seleccionar e implementar una forma de comunicación adecuada para obtener las medidas de las
variables que influyen en el biorreactor.
Identificar de forma automática cada una de las fases del crecimiento de las bacterias que se
cultivan en el biorreactor.
Establecer condiciones críticas y generar alarmas en el sistema.
Desarrollar un sistema de almacenamiento de información y generación de reportes, históricos y
tendencias.
En la primera parte del libro se enumeran todas las especificaciones del biorreactor y los requisitos del
sistema para que el software se comporte adecuadamente, más adelante se explican los procedimientos
que se llevaron a cabo para realizar el software tales como la elección del sistema de comunicación, el tipo
de datos que se manejan, etc. En la última parte del libro se encuentran los resultados de las pruebas
realizadas en el Instituto de Errores Innatos del Metabolismo y las conclusiones a las que se llegaron
durante toda la realización del proyecto.
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2. ESPECIFICACIONES
El Instituto de Errores Innatos del Metabolismo requiere un sistema de supervisión en el cual puedan ser
capturadas las variables de temperatura, agitación, oxígeno disuelto y pH para poder visualizarlas en
gráficos y almacenarlos para luego ser analizados. Esta parte del presente documento contiene una
descripción más a fondo de las especificaciones propuestas y del software en el que se desarrolló el
sistema SCADA.
Labview 2010® es un lenguaje de programación que permite desarrollar una interfaz gráfica que integre
los sistemas de medida, control y análisis de datos a través de programación gráfica.
El sistema SCADA se genera a partir de un ambiente gráfico proporcionado por Labview y tiene las
siguientes especificaciones:
Adquisición de datos de múltiples variables en soporte 4 a 20mA
Establecimiento de condiciones críticas y generación de alarmas determinadas por el usuario.
Generación de correo electrónico reportando la alarma generada por el sistema en el momento en
el que ocurre el evento.
Generación de históricos de las variables medidas que pueden ser visualizadas cuando el usuario
lo requiera.
Selección de las señales de referencia de cada lazo de control.
El tiempo de muestreo está configurado a una taza de 1 muestra por minuto.
Para poder utilizar el software desarrollado se requiere un computador con las siguientes especificaciones
mínimas:
Windows XP Service Pack 2
1 Gb de memoria RAM
30Gb de espacio libre en el disco duro
Conexión a Internet ya sea por cable de red o Wi-Fi
LabView 2010 con todas las librerías básicas instaladas incluyendo la librería DAQmx.
1 puerto USB libre
El programa permite enviar correos electrónicos cuando se presentan alarmas, las cuales el usuario las
puede configurar a excepción de la alarma relacionada con el pH ya que estos son valores fijos
previamente establecidos. La cuenta de correo electrónico puede ser configurada por el usuario.
El histórico del proceso se puede ver en cualquier momento y se actualiza en tiempo real, incluso si el
proceso se está corriendo y se puede ver todo el grafico desde el inicio del proceso hasta el momento
actual.
El sistema se conecta a cada módulo del biorreactor mediante un conector DIN 6 y al PC mediante
conexión USB, en la Figura 1 se muestra más detalladamente el diagrama de conexiones:
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[Figura 1] Diagrama de conexiones
Más adelante se explica de manera más detallada como se conectan las tarjetas de adquisición al
biorreactor.
3. DESARROLLO DEL PROYECTO
Con el fin de desarrollar el proyecto para cumplir con los objetivos propuestos, se desarrolla en primer
lugar el protocolo de comunicación que nos permite interactuar con el biorreactor y de esta forma
comenzar con el desarrollo de la interfaz y las aplicaciones que la integra.
3.1 Protocolo de Comunicación
Para establecer un protocolo de comunicación se analizaron dos alternativas para el desarrollo del
proyecto en donde se analizaron sus ventajas y desventajas. En los siguientes dos numerales se expondrán
más a fondo y se analizaran los resultados obtenidos para elegir el más viable para este proyecto.
3.1.1 Profibus con tarjeta de adquisición
La primera opción es mediante conexión PROFIBUS utilizando la tarjeta de adquisición que se tiene
disponible. Ya que el biorreactor y la tarjeta se comunican por medio de este protocolo por defecto, se
busca realizar un programa nuevo en el cual se obtengan las medidas requeridas en el proyecto.
El sistema PROFIBUS necesita de una terminal maestra que pedirá los datos directamente a cada una de
las variables del biorreactor (Ver [Figura 2]).
[Figura 2] Diagrama Profibus DP
PC (Master)
Control de
Control de
Control de PH
Control de
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En este desarrollo se utiliza el analizador de protocolos PROFIBUS BC400 disponible en el laboratorio
del Departamento de Ingeniería Electrónica, que permite analizar el flujo de datos entre los controladores
y el Biolog (Ver [Figura 3]).
[Figura 3] Analizador de Protocolos Profibus BC-400 [3]
Los resultados obtenidos con el analizador de protocolos permiten identificar el tipo de protocolo
(Profibus DP). La Tabla 1 contiene los datos que se pueden obtener con el analizador de protocolos, allí se
muestra la dirección (Address) con la que se identifica cada controlador para enviar información al
Master, y la información (Data) que se envía desde cada controlador en formato hexadecimal.
[Tabla 1] Datos Analizador de Protocolos Profibus.
En la Tabla 2 se muestra la forma en la que el sistema interactúa con cada uno de los controladores
solicitando y recibiendo información por medio de este protocolo. [4]
Controlador Dirección
Master 0.62
pH 1.56
Oxígeno 2.56
Espuma 3.56
Temperatura 5.56
Agitación 7.56
[Tabla 2] Identificación de Controladores
Tiempo (Time
Stamp)
Dirección
(Address)
Protocolo Acción Datos
Hexadecimal
09:55:15.301493 0.62 -> 1.56 DP Solicitud
09:55:15.308440 0.62 <- 1.56 DP Respuesta 40 C6 C0 70 00 00 00 00 40 C6 C0 70
09:55:15.566492 0.62 -> 2.56 DP Solicitud
09:55:15.573419 0.62 <- 2.56 DP Respuesta 35 86 37 BD 00 00 00 00 35 86 37 BD
09:55:15.832524 0.62 -> 3.56 DP Solicitud
09:55:15.839471 0.62 <- 3.56 DP Respuesta 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
09:55:16.113521 0.62 -> 5.56 DP Solicitud
09:55:16.120466 0.62 <- 5.56 DP Respuesta 41 9C 83 F0 00 00 00 00 35 86 37 BD
09:55:16.379504 0.62 -> 7.56 DP Solicitud
09:55:16.286448 0.62 <- 7.56 DP Respuesta 42 EB 94 FB 00 00 00 00 00 00 00 00
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Esta opción se descarta debido a que el fabricante no entrega documentación con respecto a este modo de
comunicación y la adquisición de una tarjeta Profibus con compatibilidad de conexión directamente a
Labview está en proceso por parte de la Universidad y en el momento del desarrollo no se encuentra
disponible para su uso.
3.1.2 Conexión 4-20mA:
La segunda opción es mediante señales tipo 4-20mA que se obtienen de cada uno de los controladores
mediante un conector DIN-6 (Ver [Figura 4]) que permite obtener la variable medida del proceso y enviar
la señal de referencia (set point) al controlador. Adicionalmente se dispone de una entrada digital de 2V
para apagar totalmente el sistema.
[Figura 4] Conector DIN-6. [5]
En los manuales del biorreactor se encuentra la descripción detallada del modo de conexión del conector
DIN-6 (Ver Anexos 1, 2, 3 y 4). En los diagramas mostrados en los anexos se puede identificar la sección
Interface, la cual pertenece a la conexión DIN-6 que permite recibir y enviar datos por medio de señales
de 4-20mA. La Tabla 3 describe la funcionalidad de cada PIN de la conexión, ya sea de entrada o de
salida de señales de corriente que se van a usar.
[Tabla 3] Funciones Conector DIN-6 [6]
Se decide utilizar las entradas en corriente de 4 a 20mA ya que se dispone de todas las herramientas
necesarias para trabajar con estas señales.
Debido a que las señales recibidas están en el rango de 4 a 20mA y cada variable del biorreactor posee sus
propias unidades (por ejemplo: Temperatura en °C), se realiza la escalización de cada señal recibida para
que el operador pueda visualizar con las unidades respectivas la variable de proceso observada. El gráfico
de temperatura realizado para la escalización se puede ver en la Figura 5.
[Figura 5] Relación Corriente Vs Temperatura
PIN FUNCION Soporte
1 Variable Medida Corriente
2 Tierra Corriente
3 Envío Referencia Corriente
4 No Usada No Usada
5 No Usada No Usada
6 Apagado Total Voltaje
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3.2 Interfaz con el Biorreactor
El funcionamiento general del sistema SCADA se muestra en la Figura 6:
[Figura 6] Diagrama de flujo funcionamiento sistema SCADA
El sistema recibe el dato de las variables medidas para compararlo con los valores predefinidos como
condiciones críticas para luego enviar el reporte de la alarma por medio de correo electrónico. De forma
simultánea, al llegar el dato, el sistema verifica si está activada la opción de enviar señal de referencia,
adicionalmente el sistema realiza un gráfico Variable versus Tiempo cada vez que el sistema recibe una
medida nueva.
3.2.1 DAQ Assistant
3.2.1.1 Interfaz de entrada
Por medio de la herramienta DAQ Assistant de LabView se puede adquirir y digitalizar
señales de corriente, las cuales pueden ser manipuladas en el programa; la conexión se hace
por medio de los canales que posee la tarjeta de adquisición. En este desarrollo se usa la
tarjeta de adquisición National Instruments NI9203, la cual tiene 8 canales de entrada, en
nuestro caso se utilizan 4 de estos canales, estos soportan corrientes de ±20mA y permiten una
resolución de 16 bits con una velocidad máxima de muestreo acumulado de 200kS/s. [7]
Se configura para que maneje un rango de señales de entrada de 4-20mA con un modo de
adquisición de 1 muestra por demanda, es decir que cada vez que se solicite una muestra la
tarjeta de adquisición se active e importe el dato actual adquirido.
El diagrama de conexión para la entrada de datos se muestra en la Figura 8.
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[Figura 8]. Diagrama de conexiones de corriente [8]
Cada variable de interés se conecta a un canal diferente como se muestra en la Tabla 4.
Canal 0 Temperatura
Canal 1 Agitación
Canal 2 Oxígeno
Canal 3 pH
[Tabla 4] Conexión con la tarjeta de adquisición
La conexión de tierra de todas las señales que se reciben van conectadas al canal 9 el cual
corresponde a la tierra de la tarjeta de adquisición.
3.2.1.2 Interfaz de Salida
La tarjeta de adquisición utilizada para la interfaz de salida es la NI9265, la cual permite
generar señales a una tasa de 1KHz, se envía una señal de 4-20mA la cual es escalizada para
que el usuario visualice el valor real de medida con los valores recolectadas para generar las
Ecuaciones 1, 2, 3 y 4 y no un valor de corriente. La escalización se hizo por medio de la
función lineal y se obtuvieron los siguientes resultados:
Temperatura: [Ecuación 1]
Agitación: [Ecuación 2]
pH: [Ecuación 3]
Oxigeno: [Ecuación 4]
Las anteriores ecuaciones se obtienen a partir de pruebas realizadas en el biorreactor tomando
datos de corriente con la tarjeta 9203, lo que permite calcular la escalización tanto de salida
como de entrada despejando cada una en términos de la variable x.
Cada una de las señales de Referencia se conectan a un puerto AO (Analog Output), a
diferencia de la tarjeta de entradas, esta tiene una tierra para cada una de las salidas, el
diagrama de conexión está representado en la Figura 9.
Las señales obtenidas son lineales debido a que el biorreactor está configurado por defecto de
esta manera.
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[Figura 9] Diagrama de salidas.
3.3 SISTEMA SCADA
3.3.1 Diseño Interfaz Humano Máquina
El diseño de la interfaz HMI del sistema SCADA para el biorreactor integra las variables que se quieren
supervisar y controlar como también las alarmas correspondientes a cada variable, de esta manera se
visualizan en una sola pantalla las acciones de control y supervisión del sistema, permitiendo al usuario
facilidad para el manejo del software. [9]
El sistema cuenta con un menú de tres opciones: Ver Gráfico Actual, Ver Gráficos Pasados y Salir (Ver
[Figura 7]).
[Figura 7] Panel Frontal Sistema SCADA del Biorreactor
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- Ver Gráfico Actual:
Este menú integra las aplicaciones de adquisición de datos de las variables a medir, el control de la
Referencia que se desea enviar a un controlador en específico del biorreactor y las alarmas generadas por
el sistema en condiciones críticas.
- Ver Gráficos Pasados:
Este menú corresponde a la visualización del Histórico del sistema, el cual contiene los gráficos del
proceso desde el momento en que el sistema SCADA se coloca en funcionamiento. Se configura para que
al accionar el menú, abra una nueva ventana en donde se pueda visualizar los gráficos simultáneamente
con la supervisión del sistema en conjunto con el menú Ver Gráfico Actual.
La interfaz desarrollada está construida a partir de aplicaciones llamadas instrumentos virtuales (VI) que
permiten obtener, manipular y enviar información desde y hacia el computador desde donde el usuario
controla el sistema SCADA.
El desarrollo se realiza bajo programación gráfica en diagramas de bloques, permitiendo de esta forma
tener una perspectiva versátil con respecto a la manipulación que se quiera dar a la información obtenida,
la interfaz visual y la forma en que se envían los datos hacia el sistema de control desde el computador.
3.3.2 Desarrollo de Alarmas
Las condiciones normales de funcionamiento de cada uno de los controladores que interactúan con el
biorreactor son las siguientes (Ver Tabla 5).
Controlador Valor Mínimo Valor Máximo
pH 3 8
Oxígeno (%) 0 100
Agitación (rpm) 0 900
Temperatura (°C) 20 50
[Tabla 5] Condiciones Normales de Operación
3.3.2.1 Alarma de Temperatura
Como parte del proceso del biorreactor, es necesario el desarrollo de una aplicación que permita detectar
niveles de temperatura máximos y mínimos y que de esta forma el usuario del sistema SCADA pueda ser
alertado ante cualquier tipo de eventualidad que ocasione cambios inesperados de temperatura.
El diagrama de flujo de la Figura 9 representa el proceso por el que transcurre el dato para la generación
de alarmas.
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[Figura 9] Diagrama de Flujo Alarmas
La metodología para la generación de alarmas se fundamenta en la comparación entre la variable de
proceso obtenida y el valor crítico determinado por el usuario como se muestra en la Figura 10.
Dentro de la estructura “Case” se encuentra una aplicación que su funcionamiento consiste en que la señal
proveniente de la comparación dure lo suficiente para activar la siguiente estructura “Case” en la que se
encuentra el SubVi que genera el correo electrónico alertando al usuario acerca del cambio de estado en la
variable medida (Ver [Figura 10]).
[Figura 10] Alarma de Temperatura
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3.3.2.2 Alarma de Agitación
La agitación a la que está expuesto el proceso que se desarrolla en el biorreactor tiene gran importancia
debido a la dependencia que tiene con el proceso en el evento que falte oxígeno, por esta razón la alarma
generada por el sistema alertando un exceso de agitación corresponde solamente a la agitación máxima a
la que se expone el proceso.
Para la generación de ésta alarma se aplica el mismo principio utilizado en la alarma de temperatura
solamente cambiando el valor de comparación correspondiente a 900RPM, con una banda muerta de 0.1%
de la comparación para evitar que el ruido de la señal active y desactive erróneamente la alarma al llegar a
ese punto crítico. Luego, la señal pasa a través de las estructuras “Case” definidas anteriormente con el
fin de generar el correo electrónico alertando el evento de Agitación Máxima.
3.3.2.3 Alarma de Oxígeno
El oxígeno disuelto que es aplicado al biorreactor corresponde al necesario para mantener el proceso que
se esté desarrollando en condiciones normales, de esta forma es de gran importancia mantener informado
al usuario acerca del comportamiento de esta variable. Por esta razón, el sistema permite configurar el
oxígeno mínimo al cual el proceso puede llegar antes de generar alarma.
Para esta aplicación se utiliza la misma metodología que en las alarmas de temperatura y agitación para el
envió de correo electrónico informando el evento de alarma de oxígeno.
3.3.2.4 Alarma de pH
En la realizacion de este tipo de alarma se utiliza el mismo principio de las alarmas realizadas
anteriormente, de esta forma, se establece los limites a los cuales el pH genera las alarmas de pH máximo
y pH mínimo.
Los niveles de alarma estan fijados en las condiciones normales del sistema, debido a que estos niveles no
se deben superar en ninguno momento independientemente del proceso que se realice en el biorreactor.
Así mismo, como en las alarmas anteriores, se aplica la misma metodología para el envío de correo
electrónico alertando sobre el evento Alarma pH.
3.3.3 Configuración de la señal de referencia
Teniendo en cuenta los datos de corriente y la escalización hecha previamente, se desarrollaron en
LabView diferentes SubVi, los cuales envían un valor de referencia al DAQ de salidas, el cual está
conectado a la entrada de corriente de cada uno de los controladores. El valor se puede variar directamente
en el programa.
3.3.3.1 Señal de referencia de Temperatura
El SubVi desarrollado para variar la señal de referencia de temperatura del sistema, permite variar entre
todo el rango del controlador desde 0°C hasta 150°C. Los SubVI utilizados utilizan el mismo principio en
todas las variables, ya que el comportamiento de las cuatro es lineal. En la Figura 11 podemos ver el
programa generado para la definición de la señal de referencia para la temperatura.
[Figura 11] Señal de referencia para Temperatura
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3.3.3.2 Señal de referencia de Agitación
La señal de referencia de agitación puede variar entre 0 y 900rpm, éste es el máximo valor permitido en
un cultivo ya que si superan 900rpm el cultivo se ve afectado, causando la muerte de los microorganismos
por exceso de agitación.
3.3.3.3 Señal de referencia de pH
La señal de referencia de pH tiene dos puntos críticos el nivel de pH más bajo permitido es de 3, y el más
alto de 8 ya que si sobrepasan estos valores el cultivo moriría rápidamente. La señal de referencia puede
variar entre las condiciones normales de operación.
3.3.3.4 Señal de referencia de Oxígeno Disuelto
El valor de oxígeno disuelto se varía en porcentaje, entre 0 y 100%. En algunas aplicaciones el oxígeno
puede llegar a valores menores a 5% por lo que es necesario introducirle oxígeno al sistema externamente,
el valor de la señal de referencia puede que no se mantenga constante en este tipo de aplicaciones.
El diagrama definitivo con cada uno de los SubVIs, conectados a la tarjeta de salidas se muestra en la
Figura 12.
[Figura 12] Diagrama Señal de Referencia definitivo
3.3.4 Generación de Históricos
3.3.4.1 Generación Archivo de Datos
A continuación en la Figura 13 se presenta un diagrama de flujo el cual explica de manera general como
es el funcionamiento de la generación de datos para la realización de los históricos.
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[Figura 13] Diagrama de flujo historiador
Las señales obtenidas de la tarjeta de entrada se pasan por un bloque del cual se obtienen sus 2
componentes principales, el valor de la señal y el tiempo, este último se transforma a segundos debido a
que al guardar el archivo se pierde el formato de la fecha, al guardarlo en segundos obtenemos un numero
de referencia el cual es el número de segundos que han pasado desde del 1 de enero de 1904 hasta la fecha
actual, esos dos valores se guardan en un arreglo que se va actualizando, adicionando una fila cada minuto
(tiempo de muestreo del programa). El arreglo que se genera se guarda en un archivo como un
SpreadSheet (Hoja de Cálculo), este tipo de archivos tabula los datos a medida que se va generando el
arreglo, guardándolo como archivo de texto.
Por otro lado, al tener las señales en forma de arreglo, lo exportamos al archivo SpreadSheet, donde
definimos el nombre del archivo y el destino que se desee, este se actualiza cada vez que se genera un
valor de medida nuevo.
3.3.4.2 Generación de gráficos de histórico
Los archivos que están previamente almacenados en el PC son leídos cuando se activa la visualización de
históricos. Se obtienen los 3 valores, la escala de tiempo, el valor de medida y la señal de referencia. De
estos se crea un paquete el cual se grafica. Si después de realizar el gráfico se modifica el archivo, es
necesario volver a correr el programa para que este cargue de nuevo los archivos en el gráfico. En el
diagrama de flujo de la Figura 14 se puede ver la generación del gráfico.
[Figura 14] Diagrama de flujo gráficas histórico
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4. EVALUACIÓN DE FUNCIONAMIENTO
Con el sistema SCADA implementado en LabView se procedió a realizar todas las pruebas necesarias
para verificar el funcionamiento de las aplicaciones realizadas y que permita realizar correcciones si se
necesitan.
4.1 Objetivos de la evaluación
Para establecer una metodología de verificación se tienen en cuenta los siguientes objetivos:
Verificar que la conexión 4-20mA funcione correctamente y cumpla satisfactoriamente las
funciones de enviar y recibir información del biorreactor.
Revisar que las escalas realizadas para las diferentes variables correspondan a los valores reales
que se están recibiendo y verificar el funcionamiento de la adquisición de datos en el panel
principal.
Verificar que se cumplan las condiciones críticas de alarma establecidas previamente por el
usuario y que los correos electrónicos se envíen satisfactoriamente.
Verificar que los datos del histórico se capturen correctamente y sin interrupción.
Para la realización de las pruebas se utilizaron los siguientes elementos proporcionados por el Laboratorio
de Electrónica:
Computador HP COMPAQ DC5800
DVM Fluke 45
NI cDAQ-9172
NI DAQ-9203 y NI DAQ-9256
Fuente GW Instek GPS-2303
Se realizaron 2 tipos de pruebas, la primera prueba se realizó con un cultivo real bajo condiciones
normales de crecimiento con una duración de 4 días, de los cuales se capturaron datos durante 19 horas.
Se hicieron pruebas en la recepción de datos y en la generación de históricos. La segunda prueba se
realizó con agua a temperatura ambiente y condiciones estándar en donde se incluyeron pruebas de las
señales de referencia y pruebas en las escalizaciones.
4.2 Pruebas en el cultivo
En la prueba realizada en el cultivo se tuvo la oportunidad de monitorear las variables de oxígeno y de pH.
Los archivos que se generaron durante el proceso guardaron los valores de medida de las dos variables
durante todo el tiempo que el programa estuvo en funcionamiento. En la Figura 15 se muestra un ejemplo
del archivo generado durante el proceso.
[Figura 15] Histórico Agitación
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La primera columna corresponde al número de segundos, la segunda es la medida y la tercera es el valor
de la señal de referencia, en esta prueba no se aplicaron señales de referencia, por esta razón se puede
observar que los valores entre la señal medida y la de referencia son tan distantes.
Por otro lado se hizo la validación de la aplicación del histórico tomando los datos adquiridos en el lapso
de tiempo que duró la prueba. Los resultados se muestran en la Figura 16.
[Figura 16] Histórico de Agitación
Para efectos de posteriores análisis por parte del usuario, el histórico permite exportar las gráficas como
imágenes. La Figura 16 muestra que el comportamiento del controlador de Agitación se mantuvo en 950
rpm durante un lapso de tiempo y luego pasa a 800 rpm. Debido a que el máximo valor de agitación que el
sistema debe mostrar es de 900 rpm, se realizó una segunda prueba para corregir la escalización.
Las pruebas realizadas para la generación de las señales de referencia se desarrollaron cuando el
biorreactor se encontraba solamente con agua en su interior.
Se ejecutaron pruebas en las cuatro variables obteniendo que la escalización realizada fuera la adecuada
para las variables de temperatura, agitación y pH. El controlador de oxigeno presenta fallas en el PIN 3 del
conector por el que se están enviando las señales debido a que en el momento en el que se realizaron las
pruebas con la escalización adecuada el valor de la señal de referencia que mostraba el controlador era
incorrecto.
Esto conlleva a realizar una prueba en la que le proporcionamos una entrada de corriente variante entre 4 y
20mA obteniendo resultados incoherentes con la información encontrada en el manual del controlador,
además se sabe que la escalización realizada es correcta debido a que la señal que se mide en el PIN 1 que
pertenece al valor de la medida actual arroja resultados coherentes con respecto al valor mostrado en la
pantalla del controlador.
En la Figura 17 se muestra el valor medido y el valor de la señal de referencia que arroja el programa que
se diseñó. Para este caso se muestra el controlador de pH.
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[Figura 17] Prueba en pH
En la Figura 18 se pueden ver los valores que arroja el controlador
[Figura 18] Controlador de pH
Se observa en las figuras anteriores que el programa realizado para la supervisión y el control de las
variables es adecuado. Para las otras variables el sistema se comporta de manera similar.
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5. CONCLUSIONES
Se diseña un sistema SCADA que permite enviar valores de Referencia y monitorear en línea la
temperatura, agitación, nivel de oxígeno y nivel de pH de un Biorreactor. Adicionalmente, genera alarmas
en pantalla de cada variable a niveles críticos determinados por el usuario y envía un correo electrónico
informando la alarma generada. Por otro lado, el sistema realiza el histórico de todas las variables de
proceso involucradas, que pueden ser visualizados posteriormente cuando el usuario lo requiera.
El sistema SCADA supervisa las variables que se involucran en el proceso y permite dar un ajuste de
señal de referencia más rápido debido a que no es necesario que el operador este en frente del computador
ya que esto se puede realizar por conexión remota complementándose con la implementación de las
alarmas vía correo electrónico.
El histórico permite dar un seguimiento continuo debido a que éste se realiza automáticamente y no es
necesario realizar manipulación de archivos para poder realizar gráficos, además, el histórico guarda
información de todas las variables involucradas en el proceso quitando la limitación que tenía el Biolog en
el que solo se podían ver las últimas cuatro horas de éste.
Debido a que actualmente la aplicación de oxígeno disuelto se realiza manualmente, el envío de señal de
referencia para este lazo de control queda integrado en el sistema SCADA para que pueda ser usado en
aplicaciones que se desarrollen más adelante.
Uno de los objetivos del proyecto, el cual era hacer identificación automática de fases de crecimiento no
se pudo realizar debido a que siguiendo con los requerimientos del sistema y en colaboración con los
asistentes del laboratorio en el Instituto de Errores Innatos del Metabolismo se llegó a la conclusión de
que cada cultivo se comporta de distinta manera por lo que las tendencias cambian drásticamente en
términos de tiempo de duración de cada fase y la variación de cada una de las variables involucradas en el
proceso.
25
6. BIBLIOGRAFÍA
[1] Schügerl, Karl. Bioreaction engineering modeling and control. Editorial Springer, 2000.
[2] Szklanny, Sergio., Behrends, Carlos. Sistemas Digitales de Control de Procesos. Editorial Control
SVS, 1995.
[3] Softing AG, Manual Profibus Protocol Analyzer: Universal Tool for Analyzing PROFIBUS Networks,
Marzo 2007
[4] Diedrich, Christian. Profibus PA instrumentation technology for the process industry. Editorial
Oldenbourg Industrieverlag, 2007.
[5] Digikey Corp. Electronic Components Distributor, Manual Connector DIN-6. [En Línea]
http://parts.digikey.sg/1/1/31772-conn-circular-din-6-pin-male-sd-60.html
[6] Bioengineering AG, Manual de operación Biorreactor, 2005
[7] National Instruments, Módulo de Entrada de Corriente Analógica de 8 Canales de 16 Bits, ±20 mA,
200 kS/s [En Línea]
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/208805
[8] National Instruments, Módulo de Salida Analógica de 4 Canales, 100 kS/s, 16 Bits, 0 a 20 mA [En
Línea]
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/208808
[9] Boyer, Stuart A. SCADA supervisory control and data acquisition. Editorial ISA, 2009.
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Material Complementario
- Anexo 1. Control pH
27
Anexo 2. Control de Agitación (Speed control):
28
- Anexo 3. Control de Temperatura:
29
- Anexo 4. Control PO2 (Disolución de Oxígeno):
