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INGENIERIA E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO PARCIAL DE UNA VALVULA DE CONTROL DE FLUJO NANCY CAROLINA GUERRERO MEZA UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO INGENIERIA MECANICA, MECATRONICA E INDUSTRIAL PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA PAMPLONA 2006

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INGENIERIA E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO PARCIAL DE UNA VALVULA DE CONTROL DE FLUJO

NANCY CAROLINA GUERRERO MEZA

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA

DEPARTAMENTO INGENIERIA MECANICA, MECATRONICA E INDUSTRIAL PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

PAMPLONA 2006

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INGENIERIA E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO PARCIAL DE UNA VALVULA DE CONTROL DE FLUJO

NANCY CAROLINA GUERRERO MEZA

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecatrónico

Director: ROCCO TARANTINO ALVARADO

Doctor

Co-Director: HAROLD RODRIGUEZ ARIAS

Ingeniero

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA

DEPARTAMENTO INGENIERIA MECANICA, MECATRONICA E INDUSTRIAL PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

PAMPLONA 2006

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TABLA DE CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN 9

1.1 Titulo 11

1.2 Planteamiento Del Problema 11

1.3 Justificación 11

1.4 Objetivos 12

1.4.1 Objetivo general. 12

1.4.2 Objetivos específicos. 12

2. Marco Teórico 13

2.1 Válvula De Control 13

2.1.1 Válvula de control. 13

2.1.2 Partes de la válvula. 25

2.1.3 Tipos de válvulas. 28

2.1.4 Válvula tipo compuerta. 28

2.2 Teoría Electrónica 30

2.2.1 Control ^PIC 16F877^. 30

2.2.2 Características. 31

2.2.3 Descripción de los pines. 32

2.2.4 Transmisión serial RS 232. 35

2.3 Teoría Electromecánica:̂ Motor Paso A Paso (Stepper Motors)^ 36

2.3.1 Principio de funcionamiento. 36

2.2 Mecanismos De Transmisión 39

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4

Pág.

3. Ingenieria Válvula De Control De Flujo 43

3.1 Mecánica 43

3.1.1 Transmisión. 43

3.2 Válvula 48

3.3 Electronica 54

3.3.1 Datos 54

3.3.2 Data Sheet 58

3.3 Interfase Electrónico-Mecánica 60

3.4 PC-Tarjeta De Control 64

4. Manual De Funcionamiento 66

5. Análisis Económico 67

6. Análisis Confiabilidad 69

7. Análisis De Legalidad

8. Mantenimiento Y Protección Del Trabajo 72

9. Recomendaciones 73

10. Calibración Del Instrumento 74

11. Tendencia Tecnología 75

12. Conclusiones 76

Bibliografía 78

Bibliografía Web 79

Citas Y Notas De Fuentes 80

Anexos 81

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LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Criterios de selección de la curva característica de

la válvula de control. 19

Tabla 2. Características ` P 16F877`. 30

Tabla 3. Descripción de los pines. 32

Tabla 4. Datos de los engranes. 44

Tabla 5. Resultados factores dinámicos 46

Tabla 6. De Resultados Diseño De Engranes Rectos 46

Tabla 7. . Características de la válvula. 51

Tabla 8. Datos Prueba realizada 51

Tabla 9. Datos Primera Prueba respecto a la señal de control 52 Tabla 10. Pruebas de Característica De Caudal Efectiva 53 Tabla 11. Tabla Comparativa De Precios De Válvula De Control 67

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Diagrama de bloques del prototipo de la válvula de control de flujo. . 10 Figura 2. Válvula de control. 14

Figura 3. Partes válvula de control. 25

Figura 4. Componentes del cuerpo de la válvula. 27

Figura 5 Válvula tipo compuerta. 29

Figura 6 Conector DB 9 35

Figura 7 Imagen del rotor 31

Figura 8 Imagen de un Estator de 4 bobinas 33

Figura 9. Motor unipolar 38

Figura 10. Trenes de engranes 40

Figura 11. Diagrama de cuerpo libre. 40

Figura 12. Tren de engranes rectos 43

Figura 13. Determinación del Torque 44

Figura 14. PRODENG. 45

Figura 15. Diagrama de bloque de los Procedimientos realizados

PRODENG 1.0 46

Figura 16. Conexión De La Válvula. 50

Figura 17. Conecciones Pc-Pic 56

Figura 18. Diagrama en Flujo de Programa del Microcontrolador. 57

Figura 19 Figura 19. Data Sheet `Pic16f877` 58

Figura 20. DATA SHEET –TIP 31 59

Figura 21. Data Sheet –Cmx 232 59

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7

Pág.

Figura 22. . Diagrama En Bloque Del Funcionamiento De

La Válvula De Control 60

Figura 23. Diagrama En Bloque Del Funcionamiento De La

Etapa De Control 60

Figura 24 Funcionamiento De La Etapa De Control Y Monitoreo 61

Figura 25 Primer Paso De Instalación Válvula De Control 3.0

De Control 62

Figura 26. Segundo Paso De Instalación Válvula De Control 3.0 62

Figura 27. Tercer Paso De Instalación Válvula De Control 3.0 62

Figura 28. Cuarto Paso De Instalación Válvula De Control 3.0 63

Figura 29. Quinto Paso De Instalación Válvula De Control 3.0 63

Figura 30. Sexto Paso De Instalación Válvula De Control 3.0 63

Figura 31. Diagrama de Boque del Proceso de instalación del

Software: VALVULA DE CONTROL 3.0 64

Figura 32. Diagrama En Bloque De La Comunicación Pc-Tarjeta 65

Figura 33. Procedimientos Para Poner en Marcha

De La Válvula De Control 66

Figura 34. Diagrama En Bloque De La Calibración Del Instrumento. 74

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LISTA DE GRAFICAS

Pág.

Grafica 1. Curva característica de caudal inherente 16

Grafica 2. Curva característica de caudal efectivo. 18

Grafica 3. Resultado Primera Prueba. 51

Grafica 4. Resultado Prueba respecto a la señal de control. 52

Grafica 5. Resultado Prueba. 53

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INTRODUCCIÓN

La ingeniería e implementación de un prototipo parcial de una válvula de control

de flujo reside en un diseño Mecatrónico; el diagrama de bloque de la válvula de

control de flujo (ver figura 1) integra las disciplinas electrónica-mecánica. El

bloque electrónico esta dotado por dos sistemas de control uno automático que

través de una señal análoga de 0 a 5 v recibida (desde el controlador, en este

caso simulada de manera manual con el uso de un potenciómetro) proporciona el

control de mando sobre el obturador, un segundo sistema (como sistema de

actuación rápida) esta dado por el control manual (a través de una interfase

hombre-PC) donde el operador interviene sobre el movimiento del obturador de la

válvula directamente, apoyado por un software el operador tiene razón del estado

del movimiento del obturador en tiempo real, una vez procesada la señal de

control se ejecuta tal acción mediante el uso de una interfase electrónica-

mecánica, es decir una interfase que convierta señales electrónicas (de control)

en mecánicas para finalmente obtener el movimiento acoplado en una caja de

transmisión reductora con el fin de lograr el movimiento del obturador controlado.

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Figura 1. Diagrama de bloques del prototipo de la válvula de control de flujo.

1. PROBLEMA

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1.1 TÍTULO

INGENIERIA E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO PARCIAL DE UNA

VALVULA DE CONTROL DE FLUJO.

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA-

En la actualidad para realizar investigaciones de Instrumentacion, esquemas de

control, sistemas de detección, sistemas de seguridad, sistemas de monitoreo y

diagnostico de falla se recurre a practicas tipo virtual, con simulaciones, cálculos

porque el hecho de contar con una válvula de control con una altura de arte

moderada trae incluido factores económicos de adquisición notables. La

implementación de un prototipo parcial de una válvula de control de flujo diseñada

para trabajar en una planta piloto permite de manera práctica aportar al desarrollo

de todas las áreas pertinentes, realizar estudios e investigaciones, proponer

teorías que fomente el progreso de la Universidad.

1.3 JUSTIFICACION

La implementación del prototipo parcial de la válvula de control de flujo cumple en

el lazo de control un bloque ineludible dado esto su funcionamiento, se ubica como

un elemento primordial de la Instrumentacion industrial por tal motivo es que al

estudiar la altura del arte y tendencias se observa las inclinaciones de una

Instrumentacion con monitoreo, y control; donde los costos de estas nuevas

tecnologías oscilan aproximadamente entre 3`500.000 pesos, donde el valor por

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su implementación es un costo de 400.000 cumpliendo con las mínimas normas,

es decir su aplicación es limitada (planta piloto).

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo general. Realizar ingeniería e implementación de un prototipo

parcial de una válvula de control de flujo.

1.4.2 Objetivos específicos.

§ Desarrollar modelos conceptuales apropiados para el desarrollo de la

ingeniería de detalle.

§ Desarrollar ingeniería e implementación del prototipo parcial de la válvula

de control de flujo.

§ construcción del prototipo parcial.

§ Validar la ingeniería.

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2. MARCO TEORICO 2.1 VÁLVULA DE CONTROL 2.1.1 Válvula de control. En el control automático de los procesos industriales la

válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de la regulación.

Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el

caudal de la variable medida comportándose como un orificio de área

continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como

el elemento primario, el transmisor y el controlador.

El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y esta

provisto de de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador

es quien realiza la función de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su

propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Esta unido a un vástago que pasa a

través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor.

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Figura 2. Válvula de control.[ 1 ]

§ Característica caudal inherente. La característica de un fluido incompresible

fluyendo en condiciones de presión diferencial constante a través de una válvula,

se denomina característica de caudal inherente y se representa usualmente

considerando como abscisa la carrera del obturador y como ordenada el

porcentaje de caudal máximo bajo una presión diferencial constante. Las curvas

características más significativas son las de apertura rápida, lineal e Isoporcentual.

Las curvas características se obtienen mecanizando el obturador para que al

variar la carrera el orificio de paso variable existente entre el contorno del

obturador y el asiento configure la característica de la válvula.

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Obturador con característica lineal, el caudal es directamente proporcional a la

carrera según la siguiente ecuación [1].

lkq .= Ec (1)

q = caudal

k = constante

l = carrera de la válvula

Obturador con característica isoporcentual, produce un cambio en el cambio en el

caudal que es proporcional al caudal que fluía antes de la variación. En la curva de

la grafica 1 se observa el comportamiento del caudal que aumenta al principio de

la carrera [1]. La característica isoporcentual se determina por que al principio de

la carrera de la válvula, la variación de caudal es pequeña, y al final pequeños

incrementos en la carrera se traducen en grandes variaciones de caudal. Este tipo

de válvulas presentan una rangeabilidad de 50 a 1.

qadldq

.= Ec (2)

q = caudal a pérdida de carga constante

a = constante

l = carrera de la válvula

Si se integra la expresión anterior se obtiene

laebq ..= Ec (3)

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q = caudal a pérdida de carga constante

a = constante

b = constante

e = base de los logaritmos neperianos

Grafica 1. Curva característica de caudal inherente. [ 2 ] Rangeabilidad.

El coeficiente Kv para la válvula totalmente abierta se denomina Kvs mientras que

el valor mínimo recibe Kvo por lo tanto la relación Kvs/Kvo es la denominada

Rangeability o campo de control que expresa la relación de acaudales que la

válvula puede controlar [A1]

Los valores típicos de rangeabilidad para este tipo de válvula están en un rango de

30 a 50. El término de isoporcentual deriva del hecho que, por cada incremento

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porcentual de la carrera de la válvula, se produce el mismo incremento porcentual

del caudal.

§ Característica caudal efectivo. En la mayor parte de las válvulas que

trabajan en condiciones reales, la presión diferencial ??p ?a través de ellas cambia

cuando varía su apertura, por lo que la curva real que relaciona la carrera con el

caudal se aparta de las características de caudal inherentes vistas en la grafica 1 y

se genera una nueva curva que recibe el nombre de característica de caudal

efectiva o característica de válvula instalada.

El ??p ??variable (ya no más una constante), depende de las combinaciones de la

tubería y de las características de las bombas y/o tanques del proceso. Por eso,

es evidente que “una misma válvula instalada en procesos diferentes, presentará

inevitablemente curvas efectivas distintas”.

En un circuito típico de un proceso industrial, formado por una bomba centrífuga,

la válvula de control y la tubería, las características de impulsión de la bomba y la

pérdida de carga absorbida por el sistema variarán según sea el grado de apertura

de la válvula.

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Grafica 2. Curva característica de caudal efectivo.[ 2 ]

En la grafica 2, puede verse que la diferencia entre la presión de impulsión de la

bomba y la pérdida de carga de la tubería corresponden a la pérdida de carga

absorbida por la válvula, y ésta aumenta al disminuir el caudal. Expresando la

pérdida de la presión de la válvula cuando ésta está totalmente abierta, con

relación a la pérdida de carga del sistema (línea + válvula totalmente abierta) se

obtiene un coeficiente “r”.

( )

( )abiertatotalmenteválvulalíneasistemadelpabiertatotalmenteválvulalaporproducidopr

+∆∆= Ec (4)

El valor de este coeficiente dependerá del tamaño relativo de la válvula con

relación al de la tubería y de la resistencia de la tubería con relación al conjunto.

• A menor diámetro de válvula : mayor valor de “r”

• A menor resistencia de tubería : mayor valor de “r”

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Para cada valor de “r” puede construirse una curva característica efectiva que se

apartará de la curva inherente y que coincidirá con ella cuando, r = 1 Es decir,

cuando la línea no absorbe presión y queda toda disponible para la válvula.

Es importante destacar que dicha ecuación representa una familia de curvas para

cada tipo de válvula, cada una representativa de un valor particular de r. Un

criterio más o menos aceptado para la selección de válvulas de control es el

siguiente:

• Si r > 0.5: selecciona una válvula lineal.

• Si r < 0.5: Selecciona una válvula isoporcentual.

En procesos lineales la válvula isoporcentual es la más adecuada para r < 0.4 ya

que su característica efectiva se aproxima a la curva característica lineal.

Hay que señalar que la ganancia de la válvula Isoporcentual de la válvula suele

presentar picos por encima del valor de la unidad de tal modo que es posible que

en procesos determinados se presenten inestabilidades en algunos puntos de la

carrera de la válvula. Estas anomalías pueden corregirse disminuyendo la

ganancia del controlador con lo que aparecen estos puntos o zonas inestables de

la carrera, siendo mas lenta la respuesta del sistema. Si en algún caso la

característica de la válvula no es adecuada para el proceso a controlar, puede

acudirse a sustituir el obturador.

En la tabla 1 (a continuación) se expone un resumen de criterios de selección de

la curva característica de la válvula de control.

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Tabla 1. Criterios De Selección De La Curva Característica De La Válvula De

Control. [ 2 ]

Variable Aplicaciones Característica

Presión

Líquidos, gases en general, gas con retardo considerable entre la toma de presión y la válvula de control y con alta perdida de carga de la válvula de control

Igual porcentaje %

Caudal Margen de caudal amplio, margen de caudal estrecho, y alta perdida de carga de la válvula de control

Lineal

Nivel

Perdida de carga constante, aumento de la perdida de carga, de la válvula con la carga del sistema sobrepasando el doble la perdida de carga mínima de la válvula

Apertura rápida

Temperatura en general En general Igual porcentaje

Parámetros Para La Selección De La Válvula.

A manera de pauta general, se puede decir que se usarán válvulas:

§ Isoporcentuales para:

Procesos rápidos.

Cuando la dinámica del sistema no se conoce muy bien.

Cuando se requiere alta rangeabilidad.

§ Lineales para:

Procesos lentos.

Cuando más del 40 % de la caída de presión del sistema cae en la válvula.

Cuando la máxima capacidad de la válvula debe ser obtenida rápidamente.

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Para finalizar se puede decir que en la mayoría de los casos las válvulas más

usadas son las del tipo isoporcentual, con menos frecuencia las lineales y rara vez

las de apertura rápida.

§ Dimensionamiento De Las Válvulas.

Coeficiente Cv. El primer coeficiente de dimensionamiento que se utilizó fue el

denominado Cv, empleado inicialmente en los Estados Unidos, se define como:

Caudal de agua en galones USA por minuto que pasa a través de la válvula en

posición completamente abierta y con una pérdida de carga de 1 psi. Este

coeficiente depende de las dimensiones internas y de la tersura de las superficies

de la válvula.

Coeficiente Kv. En los países que emplean unidades métricas se suele utilizar

adicionalmente el coeficiente Kv el cual está definido por la norma IEC 534-1987

de válvulas de control del siguiente modo: Caudal de agua (de 5 a 40ºC) en m3/h

que pasa a través de la válvula a una apertura dada y con una pérdida de 1 bar.

El coeficiente Kv para la válvula totalmente abierta se denomina Kvs mientras que

para el mínimo valor recibe el nombre de Kvo. Por lo tanto la relación Kvs / Kvo es

la denominada rangeabilidad o campo de control que expresa la relación de

caudales que la válvula puede controlar.

Equivalencia Entre Los Coeficientes

Cv y Kv se relacionan mediante las relaciones:

Ec (5)

Ec (6)

[ ][ ]hCvKv

KvCv

/m 86.0

16.13

minutopor galones

=

=

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Fórmula general. La válvula se comporta como un orificio que permite la

circulación de un cierto caudal con una determinada pérdida de carga.

Aplicando el teorema de Bernoulli

gvP

gvP

22

22

2

22

1

1

1 +=+ll Ec (7)

Suponiendo fluidos incompresibles:

lll == 21 Ec (8)

l = Peso especifico del fluido 3/ dmKg

P∆ = Perdida de carga a través de la válvula

( )

l21

221

22

ppgvv

−=− Ec (9)

V2>> V1

hgP

gv 222 =

=l Ec (10)

La forma de la válvula da lugar a una resistencia que disminuye la velocidad.

ghv 2β= Ec (11) β = coeficiente de resistencia (sin dimensiones)

V = velocidad del flujo, en m/s

h = altura de presión entre la entrada y la salida de la válvula: m, como

vAq .= Ec (12)

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q = caudal a través de la válvula, en sm /3

A = sección del orificio de paso, en 2m

smP

gAhgAq /10.22 3

l∆

== ββ Ec (13)

hmP

QK v /3

∆=

l Ec (14)

Q = caudal máximo, en hm /3

min/gP

QCv ∆=

l Ec (15)

Q = caudal máximo en g/min

∆P = pérdida de carga en psi

§ Datos necesarios para el diseño. Caída de presión en la válvula: la

evaluación de este parámetro es de fundamental importancia, por lo que se

sugiere tomar debida nota de lo siguiente:

A manera de guía se sugieren los siguientes lineamientos:

• En circuitos con bombas el ?pv será el 33% de la carga dinámica del sistema y

no menor a 1 kg/cm2 (aprox. 15 psi).

• El ?pv asignado a la succión o descarga de un compresor será el 5% de la

presión absoluta de succión o el 50 % de las pérdidas dinámicas del sistema,

se elegirá siempre la mayor.

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Estas relaciones deben ser aumentadas cuando el campo de variación de caudal

es grande (atención: variación de caudal grande, no confundir con caudal grande)

y reducirlas cuando la variación de caudal es pequeña.

• Cuando el ?pv es del valor adecuado, la válvula de control es más pequeña

que el diámetro de la cañería donde se instalará.

Caudal: se adoptarán las siguientes definiciones:

• Caudal normal mínimo (Qn-mín.): mínimo caudal necesario para mantener el

proceso bajo control en cualquier condición de operación.

• Caudal normal máximo (Qn-máx.): máximo caudal necesario para mantener el

proceso bajo control en cualquier condición de operación.

• Caudal máximo (Q-máx.): máximo caudal que puede circular por la válvula

para el 100 % de apertura. Excepto Q-máx., los demás son datos de proceso

(diseño o condiciones de operación). El Q-máx. suele adoptarse alrededor del

25 % mayor que el Qn-máx.

Otros datos:

• Temperatura de operación y de diseño.

• Propiedades físicas:

* Viscosidad *Densidad * Peso específico * Densidad relativa

* Presión de vapor * Peso molecular * Calores específicos * Otros

• De instalación:

* Diámetro de la cañería donde se instalará

* Corrosión * Erosión * Otros tipos posibles de ataque

• De la válvula:

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* Serie (150, 300, etc)

• Rangeabilidad

2.1.2 Partes de la válvula.

Figura 3. Partes Válvula De Control.[ 2 ]

Cuerpo. El cuerpo es el encargado de regular el pasaje del fluido, transformando

los desplazamientos del vástago (lineal o rotacional) en una variación de caudal.

En la figura 3 se observa el cuerpo de la válvula, contiene en su interior el

obturador y los asientos y esta provisto de rosca o de bridas para conectar la

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válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la función de reducir el paso del

fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento

rotativo. Esta unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es

accionado por el servomotor.

El cuerpo suele ser de hierro, acero, acero inoxidable y en casos especiales se

usa Money, hastelloy B o C etc.

El cuerpo y las conexiones a la tubería están normalizados de acuerdo con las

presiones y temperaturas de trabajo en las normas DIN y ANSI.

Cabe señalar los puntos siguientes:

• Las conexiones roscadas se utilizan hasta 2”

• las bridas pueden ser planas, con resalte, machihembradas, machihembradas

con junta de anillo.

• las conexiones soldadas pueden ser con encaje o con soldadura a tope. Las

primeras se emplean para tamaños de válvulas hasta 2” y las segundas desde

2 ½” hasta tamaños mayores.

En la siguiente figura se observa mas detalladamente cada uno de los

componentes del cuerpo de la válvula.

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27

Componentes Del Cuerpo De La Válvula

Figura 4. Componentes Del Cuerpo De La Válvula.[ 1 ] Actuadores. Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a

partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de

un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento

final de control como lo son las válvulas.

Los actuadores hidráulicos, neumáticos eléctricos son usados pera manejar

aparatos mecatronicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean

cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples

posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para

suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las

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28

aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de

vista de precisión y mantenimiento.

Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos

mecatronicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin

escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso

debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento Por

todo esto es necesario conocer muy bien las características de cada actuador para

utilizarlos correctamente de acuerdo a su aplicación especifica

2.1.3 Tipos de válvulas. Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el

diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de control pueden

ser de varios tipos dependiendo del diseño del cuerpo y del movimiento del

obturador en [A1] se amplia cada uno de los tipos de válvulas en este caso se

procede a profundizar en la válvula tipo compuerta puesto que es esta pertinente

en nuestro estudio.

2.1.4 Válvula tipo compuerta. Considerada como una de las válvulas más utilizadas para fines de bloqueo, las

válvulas de compuerta tienen una tal forma constructiva que, el fluido, al pasar en

línea recta a través del cuerpo con el obturador en la posición totalmente abierta,

sufrirá una resistencia mínima y consecuentemente tendrá una baja pérdida de

carga. El obturador, que puede tener forma de disco o de cuña, actúa a través de

un vástago que queda montado en la tapa de la válvula, promoviendo por medio

de una rosca propia, movimientos de translación del disco o de la cuña, en sentido

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29

ascendente y descendente, perpendiculares a la trayectoria del fluido, abriendo y

cerrando, respectivamente la válvula.

La válvula de compuerta como se muestra en la figura 8 son indicadas para

operar en servicios donde no haya necesidad de operaciones frecuentes, visto que

el movimiento de translación del obturador es muy lento y por lo tanto, se deben

utilizar de preferencia en las condiciones de abierta o cerrada en su totalidad.

Recomendación no utilizar las válvulas de compuerta en servicios de regulación

y/o estrangulamientos, pues en estos casos el impacto del fluido con el obturador

parcialmente abierto, fatalmente causará vibraciones y ruidos indeseables, así

como podrá causar erosión en las superficies de los asientos y del obturador

Figura 5. Válvula Tipo Compuerta.[ 3 ] Características.

§ Paso totalmente desobstruido cuando se encuentra totalmente abierta.

§ Estanques para casi todos los tipos de fluidos.

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30

§ Construcción en amplia gama de tamaños.

§ Permiten flujo en los dos sentidos.

2.2 TEORIA ELECTRÓNICA 2.2.1 Control ^PIC 16F877^. Se denomina microcontrolador a un dispositivo

programable capaz de realizar diferentes actividades que requieran del

procesamiento de datos digitales y del control y comunicación digital de diferentes

dispositivos. Los microcontroladores poseen principalmente una ALU (Unidad

Lógico Aritmética), memoria del programa, memoria de registros, y pines I/O

(entrada y/0 salida). La ALU es la encargada de procesar los datos dependiendo

de las instrucciones que se ejecuten (ADD, OR, AND), mientras que los pines son

los que se encargan de comunicar al microcontrolador con el medio externo; la

función de los pines puede ser de transmisión de datos, alimentación de corriente

para l funcionamiento de este o pines de control especifico.

En este proyecto se utilizo el PIC 16F877. Este microcontrolador es fabricado por

MicroChip familia a la cual se le denomina PIC. El modelo 16F877 posee varias

características que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil,

eficiente y practico para ser empleado en la aplicación que posteriormente será

detallada. Algunas de estas características se muestran a continuación:

§ Soporta modo de comunicación serial, posee dos pines para ello.

§ Amplia memoria para datos y programa.

§ Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina

FLASH; este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente (esto

corresponde a la "F" en el modelo).

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31

§ Set de instrucciones reducido (tipo RISC), pero con las instrucciones

necesarias para facilitar su manejo.

2.2.2 Características. Ver tabla 2.

Tabla 2. Características ` P 16F877`.

CARACTERÍSTICAS 16F877

Frecuencia máxima DX-20MHz

Memoria de programa flash palabra de 14 bits 8KB

Posiciones RAM de datos 368

Posiciones EEPROM de datos 256

Puertos E/S A,B,C,D,E

Número de pines 40

Interrupciones 14

Timers 3

Módulos CCP 2

Comunicaciones Serie MSSP, USART

Comunicaciones paralelo PSP

Líneas de entrada de CAD de 10 bits 8

Juego de instrucciones 35 Instrucciones

Longitud de la instrucción 14 bits

Arquitectura Harvard

CPU Risc

Canales Pwm 2

CARACTERÍSTICAS 16F877

Pila Harware -

Ejecución En 1 Ciclo Máquina -

2.2.3 Descripción de los pines. Ver tabla 3

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32

Tabla 3. Descripción De Los Pines.[ 4 ]

NOMBRE DEL PIN

PIN

TIPO

TIPO DE

BUFFER

DESCRIPCIÓN

OSC1/CLKIN 13 I ST/MOS Entrada del oscilador de cristal / Entrada de señal de reloj externa

OSC2/CLKOUT 14 O - Salida del oscilador de cristal

MCLR/Vpp/THV 1 I/P ST Entrada del Master clear (Reset) o entrada de voltaje de programación o modo de control high voltaje test

RA0/AN0

RA1/AN1

RA2/AN2/ Vref-

RA3/AN3/Vref+

RA4/T0CKI

RA5/SS/AN4

2

3

4

5

6

7

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

TTL

TTL

TTL

TTL

ST

TTL

PORTA es un puerto I/O bidireccional

RAO: puede ser salida analógica 0

RA1: puede ser salida analógica 1

RA2: puede ser salida analógica 2 o referencia negativa de voltaje

RA3: puede ser salida analógica 3 o referencia positiva de voltaje

RA4: puede ser entrada de reloj el timer0.

RA5: puede ser salida analógica

NOMBRE DEL PIN

PIN

TIPO

TIPO DE

BUFFER

DESCRIPCIÓN

RBO/INT

RB1

RB2

RB3/PGM

33

34

35

36

I/O

I/O

I/O

I/O

TTL/ST

TTL

TTL

TTL

PORTB es un puerto I/O bidireccional. Puede ser programado todo como entradas

RB0 pude ser pin de interrupción externo.

RB3: puede ser la entada de

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33

RB4

RB5

RB6/PGC

RB7/PGD

37

38

39

40

I/O

I/O

I/O

I/O

TTL

TTL

TTL/ST

TTL/ST

programación de bajo voltaje

Pin de interrupción

Pin de interrupción

Pin de interrupción. Reloj de programación serial

RCO/T1OSO/T1CKI

RC1/T1OS1/CCP2

RC2/CCP1

RC3/SCK/SCL

RC4/SD1/SDA

RC5/SD0

RC6/Tx/CK

RC7/RX/DT

15

16

17

18

23

24

25

26

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

ST

ST

ST

ST

ST

ST

ST

ST

PORTC es un puerto I/O bidireccional

RCO puede ser la salida del oscilador timer1 o la entrada de reloj del timer1

RC1 puede ser la entrada del oscilador timer1 o salida PMW 2

RC2 puede ser una entrada de captura y comparación o salida PWN

RC3 puede ser la entrada o salida serial de reloj síncrono para modos SPI e I2C

RC4 puede ser la entrada de datos SPI y modo I2C

RC5 puede ser la salida de datos SPI

RC6 puede ser el transmisor asíncrono USART o el reloj síncrono.

RC7 puede ser el receptor asíncrono USART o datos

NOMBRE DEL PIN

PIN

TIPO

TIPO DE

BUFFER

DESCRIPCIÓN

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34

RD0/PSP0

RD1/PSP1

RD2/PSP2

RD3/PSP3

RD4/PSP4

RD5/PSP5

RD6/PSP6

RD7/PSP7

19

20

21

22

27

28

29

30

I/O

I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O

ST/TTL

ST/TTL

ST/TTL

ST/TTL

ST/TTL

ST/TTL

ST/TTL

ST/TTL

PORTD es un puerto bidireccional paralelo

REO/RD/AN5

RE1/WR/AN

RE2/CS/AN7

8

9

10

I/O

I/O

I/O

ST/TTL

ST/TTL

ST/TTL

PORTE es un puerto I/O bidireccional

REO: puede ser control de lectura para el puerto esclavo paralelo o entrada analógica 5

RE1: puede ser escritura de control para el puerto paralelo esclavo o entrada analógica 6

RE2: puede ser el selector de control para el puerto paralelo esclavo o la entrada analógica 7.

Vss 12.31 P - Referencia de tierra para los pines lógicos y de I/O

Vdd 11.32 P - Fuente positiva para los pines lógicos y de I/O

NC - - - No está conectado internamente

2.2.4 Transmisión serial RS 232.

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Comunicación Serial. Un dispositivo serial utiliza un protocolo de comunicación

que es estándar para casi cualquier PC. El concepto de comunicación serial es

simple. El puerto serial envía y recibe bytes de información, un bit a la vez.

Aunque esto es más lento que la comunicación paralela, la cual permite la

transmisión entera de bytes de una sola vez, es más sencillo y puede utilizarlo en

distancias grandes. Por ejemplo, las especificaciones IEEE 488 para

comunicación paralela definen que el cableado entre equipos no debe ser mayor

de 20 m en total, con no más de 2 m entre dos dispositivos cualquiera; en

comunicación serial pueden extenderse hasta 1200 m.

La tasa de baudios es una unidad de medición para comunicación que indica el

número de bits transferidos por segundo. Por ejemplo, 300 baudios son 300 bits

por segundo. Cuando los ingenieros se refieren a un ciclo de reloj, se refieren a la

tasa en baudios, así que si el protocolo indica una razón en baudios de 4800, el

reloj está ejecutándose a 4800 Hz. Esto quiere decir que el puerto serial está

muestreando la línea de datos a 4800 Hz. Las tasas de baudios para líneas

telefónicas son 14400, 28800, y 33600. Tasas de baudios mayores a estas son

posibles, pero reducen la distancia disponible para la separación de dispositivos.

Conector DB-9.

Figura 6. Conector DB-9.[ 5 ]

Funciones del Conector:

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Datos: TxD en pin 3, RxD en pin 2

Intercambio de Pulsos de Sincronización: RTS en pin 7, CTS en pin 8, DSR en pin

6,DCD en pin 1, DTR en pin 4

Común: Com en pin 5

Otros: RI en pin 9

2.3 Teoría Electromecánica: ^Motor Paso A Paso (Stepper Motors) ̂

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en

donde se requieren movimientos muy precisos. La característica principal de

estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que

se le aplique.

2.3.1 Principio de funcionamiento. Básicamente estos motores están

constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes

permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su

estator.

Las bobinas son parte del estator (figura 8) y el rotor (figura 7) es un imán

permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser

externamente manejada por un controlador.

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37

Figura 7. Imagen del rotor.[ 6 ]

Figura 8. Imagen De Un Estator De 4 Bobinas. . [ 6 ]

Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:

§ Bipolar. Estos tienen generalmente cuatro cables de salida. Necesitan ciertos

trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del

flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar

un movimiento.

§ Unipolar. Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de

su conexionado interno (ver figura 9). Este tipo se caracteriza por ser más simple

de controlar.

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Figura 9. Motor unipolar. [ 6 ]

Los motores en general tienen una gran cantidad de especificaciones tanto

eléctricas como mecánicas las cuales son entregadas por los fabricantes en los

catálogos y las cuales debemos aprender a interpretar para seleccionarlos

adecuadamente.

Torque. Se llama torque a la fuerza que ejerce el motor sobre la carga. A mayor

torque, una mayor carga o peso puede mover normalmente el motor o puede

lograr una mayor velocidad sobre la misma carga. Este es quizás uno de los

aspectos más confusos o difíciles de entender dentro de la terminología de los

motores. Si no se conocen el torque que pueda tener un motor, que es lo más

probable en la mayoría de los casos, se puede medirlo experimentalmente

agregando una palanca al eje y un peso o una balanza lineal en el otro extremo de

la palanca por medio de un resorte como se muestra en la figura 13. El peso

puede ser una pieza de plomo o se puede utilizar una balanza de resorte.

La palanca debe tener una longitud fija determinada ya sea un centímetro, una

pulgada, un pie, etc. porque de esto depende la medida ya que el torque se

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39

expresa en unidades de peso por unidades de longitud, como onzas por pulgada,

libras por pie, gramos por centímetro, etc.

dFT *= Ec (16)

2.4 MECANISMOS DE TRASMISION Dispositivos que se pueden considerar convertidores de movimiento, en tanto

transforman el movimiento de una forma a otra: por ejemplo con un mecanismo,

un movimiento lineal se puede convertir en un movimiento rotacional (o viceversa),

Los mecanismos son útiles para:

a. Amplificadores de fuerzas; por ejemplo la que se obtiene mediante

palancas.

b. Cambio de velocidad; por ejemplo mediante engranes, transferencia de

movimiento de un eje a otro.

c. determinados tipos de movimientos; por ejemplo los que se obtienen

mediante un mecanismo de retorno rápido.

Trenes de engranes. Son mecanismos muy utilizados para transferir y

transformar el movimiento rotacional., Se emplean cuando es necesario obtener

un cambio de velocidad o el par de rotación de un dispositivo que esta girando.

El movimiento rotacional se transfiere de un eje a otro mediante un par de cilindros

giratorios, la transferencia de movimiento entre los cilindros depende de la fuerza

de fricción entre las superficies de contacto. Para evitar el deslizamiento entre los

dos cilindros se añaden dientes de engranaje con lo que se obtiene un par de

engranajes endentados.

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Cuando dos engranes están endentados al mayor se le denomina engrane y al

menor piñón. Los engranes que se usan para conectar ejes paralelos tienen

dientes rectos. (Existen con dientes helicoidales: los cuales se cortan en forma de

Hélice)

Figura 10. Trenes de engranes [ 7 ]

En la figura 10 se puede apreciar la manera esquemática de representar un tren

de engranes.

§ Análisis de fuerzas para engranes rectos.

Figura 11. Diagrama de cuerpo libre. [ 7 ]

Según la figura 11:

• Engrane de entrada: `conductor` 2

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• Engrane de salida: `conducido`3

• n2, n3: velocidades de engranes 2 y 3 respectivamente rpm

• Ejes `a, b`

• F23: Fuerza ejercida del engrane 2 sobre el engrane 3.

• F2a: Fuerza ejercida del engrane 2 sobre el eje a. Además representara la fuerza

• Ejercida por el árbol a contra el engrane.

• TW : Carga trasmitida

• T: Momento de torsión

• H: Potencia Kw.

32FWT = Ec (17)

Ta Wd

T2

22 = Ec (18)

22

3)10(60nd

HWT π

= Ec (19)

T

TVWH

33000= Ec (20)

§ Relación de velocidades de engrane. Es la relación entre las velocidades

angulares entre los ejes de entrada y salida y por lo tanto es igual a:

ducidoengranecon

rizengranemot

W

wG = Ec (21)

Relación de velocidades.

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CONDUCIDOdientesNCONDUCTORdientesN

mpCONDUCIDOrREVrmpCONDUCTORREV

−−

=−

−__

))(

Ec (22)

CONDUCIDOdientes

CONDUCTOR

NN

rmpnrmpn

−=)()(

Ec (23)

n: numero de vueltas o rpm N: numero de dientes D: diámetro de paso

CONDUCIDOdientesNCONDUCTORdientesN

CONDUCIDODIAMETROCONDUCTORDIAMETRO

−−

=−−

__

Ec (24)

CONDUCIDO

CONDUCTOR

CONDUCIDO

CONDUCTOR

NN

dd

_

− = Ec (25)

§ Análisis AGMA. El análisis y diseño para engranes rectos para resistir a fallas

por flexión de los dientes y el desgaste o falla de la superficie de los mismos.

AGMA (American Gear Manofacturers Association)

La practica de la AGMA consiste en diferenciar factores de modificación utilizando

letra C para la durabilidad de la superficie K para la flexión.

Nomenclatura:

Cv: Factor de velocidad

Kv Factor Dinamico AGMA

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Factores dinámicos. Cuando un engranaje o par de engranes funciona a

velocidades moderadas o altas y se genera ruido, es seguro que existen efectos

dinámicos. Uno de los primeros intentos para tener en cuenta es un incremento en

la carga dinámica debido a la velocidad de operación considero ciertos engranes

del mismo tamaño, el mismo material y la misma resistencia.

B

VAA

KvCv

+== V (ft/min) Ec (26)

B

VAA

KvCv

+==

*200V (m/s) Ec (27)

Donde:

A=50+56(1-B)

B=(12-Qv)2/3/4

Donde v se expresa en (m/s).

§ Factores de duración Kl y Cl. Las resistencias AGMA están definidas como

el numero de dientes de conexión de los engranes con acción de carga.

3. INGENIERIA VALVULA DE CONTROL DE FLUJO

3.1 MECÁNICA 3.1.1 Transmisión.

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44

Figura 12. Tren De Engranes Rectos.

Los siguientes datos se obtuvieron midiendo cada engrane utilizando un calibrador

Vernier.

Tabla 4. Datos De Los Engranes.

ENGRANE

Numero de dientes

-N-

Diámetro mayor

Velocidad N

piñón 18 1.2 cm. 164 rpm Engrane 1 81 5.87 cm. Engrane 2 28 1.86 cm. 105.41 rpm

§ Distancia entre centros.

(Diámetro mayor piñón + diámetro mayor engrane) / 2 = 3.54 Ec (28)

(Diámetro mayor engrane 1 + diámetro mayor engrane 2) / 2 = 3.54 Ec (29)

§ Torque de entrada. Como se muestra en la figura 17 se realizo

experimentalmente esta medición.

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Figura 13. Determinación Del Torque. [ 6 ].

F = 8 N d = 0.06 m dFT *= Ec (30)

T = 0.48 N.m § Piñón. Material y sus características: debido a que no se diseño el engrane no

se tienen datos completos de el, el material por consulta a asesores se llego a la

conclusión de que era bronce. Con este dato y el software puedo conocer más

datos.

Los respectivos cálculos se realizaron ulizando el Software PRODENG 1.0

(Universidad Francisco de Paula Santander), una vez consultada toda la

matemática, teoría asociada que implica engranes.

A continuación se muestra el procedimiento realizado resumido mediante un

diagrama de bloque y al final se puede ver una tabla de todos los datos obtenidos.

El entorno del software se puede ver en la figura 14.

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Figura 14. PRODENG 1.0

Diagrama En Bloque Del Proceso Realizado En PRODENG

Figura 15. Diagrama de bloque de los Procedimientos realizados PRODENG 1.0

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Tabla 5 Resultados Factores Dinámicos

ENGRANE 1

ENGRANE 1

PIÑON

Kl

1.0293

1.1778

1.034

Cl

1.0366

1.1437

1.0513

Kv

1.0604

1.0697

1.0697

Cv

1.0604

1.0697

1.0697

Tabla 6 De Resultados Diseño De Engranes Rectos

Piñón

Engrane 1

Engrane 2

Numero de dientes

n

18 81 28

Velocidad

(rpm)

164 36.44 105.41

diámetro mayor

(cm)

1.2 5.87 1.86

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Torque de entrada

(N.m)

0.48 2.16 0.74

carga tangencial

Wt (N)

177.7778

177.7778 177.77

Potencia

H (hp)

0.0111 0.0111 0.0111

Coeficiente elastico

Cp (pa)

141974.1073

141974.1073

141974.1073

TORQUE NECESARIO PARA MOVER EL OBTURADOR

El torque necesario para cerrar la valvula se obtuvo experimentalmente similar al

procemiento del motor . Resultando que para mover el obturador valvula se

necesita : 1.5 N.m; En donde por calculos de la caja de transmision se puede

expresar que el torque entregeado al engrane 1 es de 2.16 N.m un factor de

seguridad apara el diseño lo que resulta con un factor de seguridad

Conclusion del proceso del analisis mecanico.

La relacion del tren de engranes esta dada para condiciones optimas del

funcionamiento de la valvula debido a que por calculos la valvula esta recibiendo

un torque de 2.16 N.m. A continuacion se muestra un diagrama de bloque de los

procedimientos realizados anteriormente.

3.2 VÁLVULA CARACTERISTICA KV DE LA VALVULA

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49

Las curvas efectivas de las válvulas de control plantean un problema, el de la

selección de la curva adecuada que satisfaga las características del proceso este

punto no esta suficientemente definido y es motivo de discusión constante

motivado en parte por la falta de datos del proceso de los cuales se carece a

menudo, incluso a veces existe un desacuerdo entre los estudios prácticos y

teóricos realizados sobre la válvula.

Dimensionamiento de la válvula. La necesidad universal de normalizar el cálculo

de las válvulas, no solo en cuanto a tamaño sino también en cuanto a capacidad

de paso del fluido ha llevado a los fabricantes y a los usuarios a adoptar un

coeficiente que refleja y representa la capacidad de las válvulas de control. Este

coeficiente de dimensionamiento Kv se define: caudal de agua ( hm3

) que pasa a

través de la válvula a una apertura dada y con una perdida de carga de 1 bar.

En la siguiente figura se muestra el montaje realizado para determinar junto con el

coeficiente Cv algunas características del fabricante.

Datos:

Volumen: V = ½ GAL 1.8927 L 0.00189 3m

Tiempo: t = 1.4181 min

Área: sección del orifico de paso: A (válvula totalmente abierta)

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50

min/002684.0

min4181.1*00189.0

*02199912.0

*

3

3

2

2

mq

mq

tVqmA

rA

=

=

==

Π=

Y por la ecuación 12 se obtiene:

smv

mvm

mAqv

vAq

3

2

3

10*03.2

min/1220.00219912.0

min/002684.0

.

−=

=

==

=

donde

v : Velocidad del fluido

Por definición Kv se tiene: ( hm3

) con una apertura totalmente abierta.

min1612.0

16.1

14448.0

13600

*002684.0

3

3

galvC

KvvCh

mvK

hs

sm

Kv

=

=

=

=

Ec (31) Ec (32) Ec (33)

Ec (34) Ec (35)

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51

Figura 16. Conexión De La Válvula

La elección de la válvula de acuerdo al Cv cruzando los factores para ½ ´ in de

línea se observa:

Tabla 7. Características de la válvula.

Diámetro puerto Carrera total Tamaño del Cuerpo

(in) In mm In mm

Cv

3/4 1/2 12.7 3/4 19 0.168

Característica de la válvula:

Comportamiento de la válvula en función del tiempo. En la siguiente tabla se

muestran los datos obtenidos mediante la práctica realizada en condiciones sin

carga.

1. Prueba realizada:

Tabla 8. Datos Prueba Realizada

Carrera l (in) Tiempo (s) 0 0

0.1 0.07 0.2 0.28 0.3 0.63

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52

0.4 1.12 0.5 1.75

CARACTERISTICA DE LA VALVULA

00.5

11.5

2

0 0.2 0.4 0.6

CARRERA ( in )

TIE

MP

O (

s )

Serie1

Grafica 3. Resultado Primera Prueba.

Según se puede aprecia en la grafica 3 se deduce que a incrementos iguales de

recorrido de la válvula produce cambios relativamente en igual porcentaje en el

tiempo.

Característica de la válvula respecto a la señal de control:

Comportamiento de la válvula en función de la señal de control.

1. Prueba realizada:

TABLA 9. Datos Primera Prueba respecto a la señal de control

Voltaje (V) Carrera (in) 0 0

0.945 0.1 1.89 0.2 2.83 0.3 3.78 0.4

5 0.5

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53

COMPORTAMIENTO RESPECTO A LA SEÑAL

0

24

6

0 0.2 0.4 0.6

CARRERA ( in )

SE

ÑA

L (

V )

Serie1

Grafica 4. Resultado Prueba respecto a la señal de control.

La respuesta de la válvula a la señal de control es proporcional es decir

aproximadamente por cada voltio la carrera del obturado se mueve una pulgada.

Prueba De La Válvula De Control Bajo Carga.

Tabla 10. Pruebas de Característica De Caudal Efectiva

Carrera de La Válvula ( % )

Porcentaje caudal ( % )

0 0 10 0 20 5 30 10 40 15 50 17 60 20 70 30 80 40 90 80 100 100

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54

CARACTERISTICA DE CAUDAL EFECTIVA

-50

0

50

100

150

0 50 100 150

CARRERA DE LA VALVULA (%)

PO

RC

EN

TAJE

DE

C

AU

DA

L (%

)

Serie1

Grafica 5. Resultado Prueba

Hay que señalar que en la mayor parte de las válvulas que trabajan en

condiciones reales, la presión diferencial cambia cuando varia la apretura de la

válvula por lo cual la curva real que relaciona la carrera de la válvula con el caudal

se aparta de los resultados obtenidos en el proceso anterior (tabla 6, grafica 4) .

Como la variación de la presión diferencial señalada depende de las

combinaciones entre las resistencia (en este caso fue despreciada debido a que la

tubería instalada es relativamente corta), la característica del tanque (altura,

volumen) es evidente que una misma válvula instalada en procesos diferencies

variaran según sea el grado de apertura.

Rango de Funcionamiento: La Válvula de control esta diseñada para trabajar en

un rango de:

• Señal Análoga (V): 0 - 5

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55

• Carrera del obturador (In): 0 - 0.5

3.3 ELECTRONICA

3.3.1 Datos

Ø MOTOR:

Voltaje de trabajo: 6 V

Corriente promedio sin carga: 2 A

Debido a las pruebas realizadas en la parte mecánicas se concluyó que el torque

del motor (0.48N.m) es suficiente para lograr las condiciones de trabajo propiadas.

Ø Fuentes fuentes independientes.

Pic: 5 v DC Se hace necesario utilizar dos fuentes independientes. La presente

tiene caracteristicas de 5V DC a 600 mA, esto con el fin de proteger el pic para

contraintensidades de la otra fuente.

Motor: 6 v DC Es una bateria de 6 V a 4.5 A, su uso porporciona al mortor la

suficiente corriente para el funcioanmiento.

Ø Dispositivos Electrónicos De Potencia: TIP 31 C

• El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida.

• Adaptación sencilla a la fuente de control.

Datos:

AI

mAI

c

b

4

25

=

=

Calculos:

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cbe III += Ec (36)

160025.04

025.4

4025.0

=

=

=

×==

+=

β

β

β

β

AA

II

IIAI

AAI

b

c

bc

e

e

Ø Esquema electronico de la comunicion pc-pic: Es siguiente esquema (ver

figura 17) electronico se tiene la forma de configuracion de la utilizacion del

integrado MAX 232 que es usado principalmete porque los niveles te

tension del pc son relativamente altos a los que maneja el microcontrolador.

Figura 17. Conecciones Pc-Pic

Ø Pic : PINES UTILIZADOS DEL PIC

Ec (37) Ec (38)

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57

RC_7.................. RX (RECEPCION DE DATOS)

RC_6.................. TX (TRANSMISION DE DATOS)

RA_0.................. AN_0 (CONVERSOR ANALOGO DIGITAL)

“SEÑAL DE CONTROL”

RA_1.................. AN_1 (CONVERSOR ANALOGO DIGITAL)

“SEÑAL REALIMENTADA DEL SENSOR”

RD_0.................. BOBINA 1 DEL MOTOR

RD_1.................. BOBINA 2 DEL MOTOR

RD_2.................. BOBINA 3 DEL MOTOR

RD_3.................. BOBINA 4 DEL MOTOR

Diagrama en flujo del PIC

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Figura 18. Diagrama en Flujo de Programa del Microcontrolador 3.3.2 Data Sheet Ø PIC P16 F 877´ (Caractaristicas de el estan en el marco teorico)

Figura 19. Data Sheet `Pic16f877`[ 8 ]

Ø TIP 31 C

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FIGURA 20 DATA SHEET –TIP 31[ 8 ]

Ø MAX 232

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Figura 21. Data Sheet –Cmx 232 [ 8 ]

3.3 INTERFACE ELECTRONICO-MECANICA

Figura 22. Diagrama En Bloque Del Funcionamiento De La Válvula De Control

La figura 22 muestra un diagrama en bloque del funcionamiento de la válvula de

control donde a su vez por medio de una interfase electromecánica resulta el

movimiento entregado a la caja de transmisión donde finalmente le entrega al

actuador un movimiento ya controlado. En la siguiente figura se aprecia el control

aplicado (abrir-cerrar-detener, habilitar o deshabilitar control manual: figura 23). El

control manual cosiste en la intervención de un operador quien tomara el control

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61

bloqueando al automático desde el PC; el control manual depende directamente

de la señal del controlador del proceso (en este caso simulado con un

potenciómetro.

Figura 23. Diagrama En Bloque Del Funcionamiento De La Etapa De Control

En la figura 23 se muestra esquemáticamente el sistema de control utilizado, tiene

dos sistemas de control dado que se brinda una interfase grafica a través de la

cual se tiene control, monitoreo. En el caso de control se señala que contiene un

tipo de control automático para el caso en que exista una comunicación de la

tarjeta electrónica de la válvula con el controlador de la planta en este caso

simulado con un potenciómetro, y otro tipo de control manual para el caso que se

quiera interrumpir proceso, se puede hacer desde el PC bloqueando control

automático y activando el control manual donde el operador toma la decisión de

cerrase o abrirse.

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62

Figura 24. Funcionamiento De La Etapa De Control Y Monitoreo

En la figura 24 se muestra el software de funcionamiento de la válvula de control

que esta empaquetado de manera tal que su ejecución no requiere la instalación

previa de Visual Basic en cambio tiene el setup para instalar la aplicación.

En las siguientes figuras están los pasos para su instalación.

Figura 25 Primer Paso De Insta lación Válvula De Control 3.0

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Figura 26 Segundo Paso De Instalación Válvula De Control 3.0

Figura 27 Tercer Paso De Instalación Válvula De Control 3.0

Figura 28. Cuarto Paso De Instalación Válvula De Control 3.0

Figura 29. Quinto Paso De Instalación Válvula De Control 3.0

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Figura 30. Sexto Paso De Instalación Válvula De Control 3.0

Diagrama de Boque del Proceso de instalación

Figura 31. Diagrama de Boque del Proceso de instalación del

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65

Software: VALVULA DE CONTROL 3.0

3.4 PC-TARJETA DE CONTROL La comunicación PC- Tarjeta de control esta estrechamente relacionado, debido a

que la válvula no funciona si es desconectada al PC.

Esta interfase permite monitoreo, control desde el PC sobre la válvula. En la

siguiente figura se tiene que Pc-Tarjeta de control debe estar siempre

comunicado. Además contiene un sistema de seguridad por si llega a fallar la

señal del controlador en este caso del potenciómetro desde el PC se puede tomar

el control sin afectar la el funcionamiento del resto del sistema.

Figura 32. Diagrama En Bloque De La Comunicación Pc-Tarjeta

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4. MANUAL DE FUNCIONAMIENTO

En la figura 33 se puede detallar los pasos a llevar para poner en funcionamiento

la válvula de control.

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67

Figura 33. Procedimientos Para Poner en Marcha La Válvula De Control

5. ANALISIS ECONOMICO

Tabla 11. Tabla Comparativa De Precios De Válvula De Control.

Válvula de Control de Flujo

Válvula de Control de Flujo

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En el mercado una válvula de Control de

Flujo de 1/2 para planta piloto esta

evaluada por un valor de:

La implementación, ingeniería de una

válvula de control de flujo para una

planta piloto tiene una valor de:

Hoy en día en el mercado de control de la instrumentación industrial hay gran

variedad de sistemas basados en válvulas de control de la misma manera un sin

numero de variedad de empresas de empresas diseñadoras de la misma, sin

embargo la variedad de empresas con que compite es el mercado es grande

siendo el factor de demanda en el campo industrial uno de los factores mas

incidentes en el momento de ofrecer un producto de calidad, alta funcionalidad y

un precio asequible para los clientes cada vez mas exigentes con una cifra real

2000, si la válvula es comercial. Si es una válvula para plantas pilotos, el costo se

incrementa en un 50 %, o sea 3000 dólares por pulgada. Si la válvula es de 1/2

pulgada entonces debe tener un costo de 1500 dólares = 3.500.000 pesos

aproximadamente.

Con implementación del prototipo parcial de una válvula de control de flujo cumple

con las funciones básicas que se requiere en un control el cual con mejoras en el

proceso de producción seria muy competitivo teniendo el cuenta que en el país

hasta e momento no hay una empresa que disponga de la producción de este tipo

400.000 Pesos

3`500.000 Pesos

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69

de válvulas teniendo en cuenta que su propiedad no solo es de uso industrial,

también institucional si es el caso de practicas e investigaciones de control.

6. ANALISIS CONFIABILIDAD La realización e implementación del prototipo parcial de una válvula de control de

flujo en el sistema de detección y diagnóstico de fallas en válvulas de control

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70

Industriales (compuerta, neumáticas) aporta el desempeño por la interfase de

monitoreo constante ahorrándose costos de mantenimiento y evitándose paradas

no planificadas que ocasionan perdidas de alto valor monetario. A continuación se

realiza un análisis del riesgo de la planta sin el sistema de detección y diagnóstico

de fallas en válvulas de control Industrial basado en observadores de estado y

posteriormente el análisis del riesgo de la planta con el sistema de DDF en las

Válvulas de Control Industrial implementado, en donde el riesgo se encuentra

determinado por:

.cos*)1(* fallaladetoeRiesgo tλλ −−= Ec (39)

Donde: λ representa la rata de falla de la válvula de control Industrial, el cual es

una constante y su valor se define por medio de las tablas internacionales de

FARADIP.

λ (Válvula) = 15 fallas/ millón de horas (peor de los casos), en donde al realizar la

conversión a fallas /años se tiene:

λ (Válvula) = 0.314 fallas/año Ec (40)

El costo de la falla, oscila entre el 20 y el 30% del costo de la válvula de control

Industrial; teniendo se en cuenta el costo de una válvula de control Industrial

oscila alrededor de los 2000 dólares por pulgada. Si es una válvula para plantas

pilotos, el costo se incrementa en un 50 %, o sea 3000 dólares por pulgada. Si la

válvula es de 1/2 pulgada entonces debe tener un costo de 1500 dólares

aproximadamente

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y el sistema se encuentra diseñado para una válvula de 1/2”, por lo tanto el costo

de una falla del dispositivo equivale a 1500 dólares *0.30 = 450 dólares

CÁLCULO DEL RIESGO ACTUAL

.cos*)1(* fallaladetoeRiesgo tactualactual

λλ −−= Ec (41)

. 450*123133.0*1314.0 dolaresRiesgoactual = Ec (42)

.28085429.7 dolaresRiesgoactual = Ec (43) 7. ANALISIS DE LEGALIDAD

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72

Para la realización de las aplicaciones, simulaciones, pruebas de la válvula de

control de flujo se utilizaron los software Visual Basic 6.0, el cual la universidad de

Pamplona cuenta con su licencia y Proteus 6.3, el software de programación

MPLAB “PMASM” de la empresa microchip, ICPROG que son un demo de libre

adquisición en la red. El software de apoyo que se utilizo en los cálculos

mecánicos “PRODENG” es un software realizado por estudiantes de la

Universidad Francisco de Paula Santander. El dibujo de los engranes fue realizado

en Solidedge V 17 versión académica. Los componentes y recursos electrónicos,

mecánicos están a la venta de en el mercado.

8. MANTENIMIENTO Y PROTECCCION DEL TRABAJO

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73

La implementación del prototipo parcial de una válvula de control requiere de

mantenimiento y protección para su buen funcionamiento, vida útil.

§ Los diferentes aparatos electrónicos, mecánicos que se utilizaron pueden ser

Cambiados en caso de falla. (Consultar plano electrónico al hacer cambio).

• Verificación de calibración.

• Asistencia al arranque, posibilidad de monitoreo.

• Verificación fuentes de alimentación (batería descargada, conexiones).

§ Se recomienda la revisión de cables y aparatos electrónicos externos que se

pueden añadir para su buena utilización

9. RECOMENDACIONES

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• Hacer mantenimiento constante, esto implica aspectos citados en el punto 8

• Consultar el funcionamiento, planos, anexos previamente al ser usado.

• Adiestramiento del personal al momento de operaciones y mantenimiento.

• Impactos mecánicos podrían afectar principalmente en la calibración total del

instrumento.

• Fugas en la tubería podrían afectar anomalías en el funcionamiento tipo

eléctrico, lubricación.

• El prototipo parcial de una válvula puede afectarse primordialmente en el Pic-

16f877 utilizado.

10. CALIBRACION DEL INSTRUMENTO

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En la figura 34 se puede ver paso a paso los procedimientos para llevar a cabo en

la calibración del instrumento. Se aconseja realizar con frecuencia.

Figura 34. Diagrama En Bloque De La Calibración Del Instrumento. 11. TENDENCIA TECNOLOGIA • Arquitectura abierta para adición, sustitución de lazos de control

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• Consolidación en Sistemas de control, Instrumentacion Industrial, Sistema de

Detección y Diagnostico de Fallas.

• Mayor confiabilidad en los elementos de control y en procesos.

• Reemplazo de equipos y sistemas obsoletos

• Pautas para una Válvula de Control inteligente

• Tareas de mantenimiento para instrumentos, elementos soportados en análisis

de confiabilidad.

• Pauta para proyecto de automatización inteligente.

• Optimización en el sistema de monitoreo.

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77

12. CONCLUSIONES

• La implementación del prototipo de la válvula de control forma parte de la

ingenieria mecatrónica donde para su diseño se debe tener en cuenta

consideración mecánicas, entando estrechamente relacionada con el diseño

electrónico.

• La implementación del prototipo de la válvula de control constituye una

formación integral en el campo investigativo, teniendo en cuenta la altura del

arte, concentración de conocimiento adquiridos en el transcurso de la ida

universitaria.

• La formación que se adquiere como profesional en el desarrollo de una tesis

prepara al estudiante a enfrentar cada unos de los problemas que se presentan

durante la realización del trabajo de grado.

• La relación entre el movimiento del obturador y el numero de pasos del motor

fue uno de los pasos más importantes en el desarrollo ya que el objetivo es

que sea monitoreado que es lo que lo que ofrece el entorno grafico VALVULA

DE CONTROL 2.0.

• Mediante la realización de este proyecto se obtuvieron nuevos conocimientos

en pro de mi formación académica como tan bien reafirmar conocimientos ya

estudiados.

• Este trabajo constituye un intento para a la universidad de Pamplona y

cualquier usuario que lo use en una posición avanzada dentro del estudio de

las áreas que lo incluye.

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• El prototipo de la válvula de control de flujo además de permitirse adaptar a un

sistema de control tiene la ventaja que no es robusta.

• El desarrollo del trabajo de grado despierta intereses para una preparación y

enfoque profesional en postgrado.

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Instrumentacion Industrial. Válvula de Control. (Pamplona 2004)

[2] Curvas características de las válvulas. Fuente: Antonio Creuss,

Instrumentación Industrial. Edic. Marcombo, 1ª. Edic.

[3] Fuente: http://www.standarhidraulica.com

[4] Tabla característica del microcontrolador. Fuente:

http://www.monografias.com/trabajos18/descripcion-pic

[5] Conector DB 9. Fuente:

http://es.wikipedia.org/wikipedia.org/wiki/microcontrolador_pic

[6] Motores. Fuente: Cabrales, Oscar. Tutorial sobre motores (Pamplona

2004)

[7] Tren de engranes. Fuente: SHIGLEY Joseph Edward - Charles R Mischke

Diseño en ingeniería Mecánica: editorial McGraw Hill. Quinta Edicion México.

[8] Data Sheet elementos electronicos : www.datasheetcatalog.com

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ANEXOS 1 PROGRAMA DEL PIC

#INCLUDE"P16F877.INC"

CBLOCK .32

DATOH,DATOL,DATO,CONT,CONT1,CONT2,CONTROL,DATO_R,CONT3,CON

T13,CONT23,POINTER

ENDC

ORG .0

GOTO SETUP

ORG .4

BCF INTCON,GIE

;**** RECEPCION DE DATOS POR PUERTO SERIE ******

BTFSS PIR1,RCIF ;RECEPCION DE DATO POR

USART ASYNCRONO

GOTO SALIR_INT

MOVF RCREG,W

MOVWF DATO_R

GOTO SALIR_INT

;*************************************************

SALIR_INT BCF PIR1,RCIF

CALL PAUSA

CALL PAUSA

BSF INTCON,GIE

RETFIE

SETUP BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1

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BCF STATUS,RP1

CLRF PORTD

MOVLW B'10000000' ;RC6,RC7--> INPUT; TX,RX

USART PIN 25,26

MOVWF PORTC

MOVLW B'00100000' ;CONFIGURACION DE PIE1

MOVWF PIE1 ;DESHABILITO TODAS LAS

INTERUPCIONE PERIFERICOS

BSF TRISA,0

BCF STATUS,RP0 ;BANCO 0

BSF INTCON,GIE

CALL RX_SER

CLRF CONTROL

MOVLW .0

CALL LEER

MOVWF DATO

CALL TX_SER

CALL CONVER_INI

CLRF DATO_R

CLRF POINTER

CONVERTIR MOVLW B'1100'

MOVWF PORTD

CALL CONV_CH0

MOVF DATOL,W

MOVWF DATO

CALL TX_SER

MOVF DATO,W

CALL ESCRIBIR

CALL PAUSA

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MOVF DATO_R,W

XORLW "A"

BTFSS STATUS,Z

GOTO CHECK_2

CALL ABRIR

GOTO CONVERTIR

CHECK_2 MOVF DATO_R,W

XORLW "C"

BTFSS STATUS,Z

GOTO CONVERTIR

CALL CERRAR

GOTO CONVERTIR

;:***********************************************************************************

;**** FUNCIONES PARA EL MANEJO DEL MOTOR PASO A PASO ****

;************************************************************************************

ABRIR BCF INTCON,GIE

MOVLW B'1101'

MOVWF PORTD

CALL PAUSA

MOVLW B'1110'

MOVWF PORTD

CALL PAUSA

MOVLW B'1000'

MOVWF PORTD

CALL PAUSA

MOVLW B'0100'

MOVWF PORTD

CALL PAUSA

BSF INTCON,GIE

MOVLW "X"

MOVWF DATO

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CALL TX_SER

RETURN

CERRAR BCF INTCON,GIE

MOVLW B'0100'

MOVWF PORTD

CALL PAUSA

MOVLW B'1000'

MOVWF PORTD

CALL PAUSA

MOVLW B'1110'

MOVWF PORTD

CALL PAUSA

MOVL B'1101'

MOVWF PORTD

CALL PAUSA

BSF INTCON,GIE

MOVLW "Y"

MOVWF DATO

CALL TX_SER

RETURN

;*************************************************************************************

;**** CONFIGURAMOS CONVERSOR ****************************************

CONVER_INI BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1

BCF STATUS,RP1

MOVLW B'10001110'

MOVWF ADCON1

BCF STATUS,RP0

MOVLW B'00000001'

MOVWF ADCON0

RETURN

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;*** SUBRUTINA DE CONVERSION Y GUARDAMOS EL RESULTADO DE ESTA

EN DATO H Y DATO L *******************************************************************

CONV_CH0 BSF ADCON0,GO ;ACTIVAMOS

CICLO DE CONVERSION

BTFSC ADCON0,GO

GOTO $-1

MOVF ADRESH,W ;CONVERSION FINALIZADA

MOVWF DATOH

BSF STATUS,RP0 ; PASO A BANCO 1

MOVF ADRESL,W

BCF STATUS,RP0

MOVWF DATOL ;GUARDAMOS EL VALOR DE

ADRES L A DATO L

RETURN

TX_SER BCF INTCON,GIE

BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1

MOVLW D'12' ; 19200 BRGH=1

MOVWF SPBRG ;CARGO EN (SPBRG)

BSF TXSTA,BRGH ;(TXSTA)ALTA VELOCIDAD

BCF TXSTA,SYNC ;(TXSTA)SELECCIONO MODO

ASYNCRONO

BSF INTCON,PEIE ;HABILITO TODAS LAS INT DE PERIFERICOS

BCF PIE1,TXIE ;(PIE1)ACTIVO INTERUPCION

DE TX

BCF STATUS,RP0 ;BANCO 0

BSF RCSTA,SPEN ;HABILITO PUERTO SERIAL

BCF PIR1,TXIF ;DESACTIVO BANDERA DE TX

POR

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BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1

BCF TXSTA,TX9 ;(TXSTA)DESACTIVO ENVIO DE

9 BIT

BSF TXSTA,TXEN ;(TXSTA)HABILITO LA TX

SERIAL USART, TXIF =1

BCF TXSTA,TX9D ;(TXSTA)CARGO DATO DE 9 BIT SI DESEO (SI TX9 =1)

;***** TRANSMISION DE DATOS POR PUERTO SERIE *****

BCF STATUS,RP0 ;BANCO 0

MOVF DATO,W

MOVWF TXREG ;INICIA LA TX SERIAL USART

MIR_TRM BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1

BTFSS TXSTA,TRMT ;(TXSTA)MIRO SI ESTA

DESOCUPADO EL BUFFER DE

TX SERIAL (1-->desoc)

GOTO MIR_TRM

BCF STATUS,RP0 ;BANCO 0

BSF INTCON,GIE

RETURN

;**************************************************

RX_SER BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1

MOVLW .12 ;19200 BAUDIOS ALTA

VELOCIDAD BRGH=1

MOVWF SPBRG ;CARGO EN (SPBRG)

BSF TXSTA,BRGH ;(TXSTA)ALTA ELOCIDAD

BRGH=1

BCF TXSTA,SYNC ;(TXSTA)SELECCIONO MODO

ASYNCRONO

BSF INTCON,PEIE ;HABILITO TODAS LAS INT DE

PERIFERICOS

BSF PIE1,RCIE ;(PIE1)ACTIVO INTERUPCION DE RX

BCF PIE1,TXIE ;DESACTIVO INT DE TX

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BCF STATUS,RP0 ;BANCO 0

BTFSC RCSTA,FERR ;MIRO SO OCURRIO ERROR EN

LA TRANSMISION PC To Master

BCF RCSTA,CREN ;RESETEA BANDERAS DE ERRORES

BTFSC RCSTA,OERR ;MIRO SO OCURRIO ERROR EN

LA TRANSMISION PC To Master

BCF RCSTA,CREN ;RESETEA BANDERAS DE ERRORES

BSF RCSTA,SPEN ;HABILITO PUERTO SERIAL

BCF RCSTA,ADDEN ;DESHABILITO DIRECCIONAMIENTO

BCF RCSTA,FERR

BCF RCSTA,OERR

BCF RCSTA,RX9 ;DESACTIVO RX DEL 9 BIT

BCF PIR1,RCIF ;DESACTIVO BANDERA DE TX

BSF RCSTA,CREN ;HABILITO RECEPCION

RETURN

LEER BCF INTCON,GIE

BSF STATUS,RP1

BCF STATUS,RP0

MOVWF EEADR

BSF STATUS,RP0

BCF EECON1,EEPGD

BSF EECON1,RD

BCF STATUS,RP0

MOVF EEDATA,W

BCF STATUS,RP1

BSF INTCON,GIE

RETURN

ESCRIBIR BSF STATUS,RP1

MOVWF EEDATA ;PASAMOS AL BANCO 2 Y

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GUARDAMOS EL VALOR DE W EN

EEDATA

BCF STATUS,RP1 ;PASAMOS A BANCO 0

MOVF POINTER,W

BSF STATUS,RP1 ;PASAMOS AL BANCO 2 GUARDAMOS

EL VALOR DE W EN EEADR

MOVWF EEADR

BSF STATUS,RP0 ;PASAMOS AL BANCO 3

BCF EECON1,EEPGD; HABILITA ACCESO A MEMORIA

BSF EECON1,WREN ; HABILITO EEPROM COMO

ESCRITURA

BCF INTCON,GIE

MOVLW H'55' ;CODIGO DEL FABRICANTE***

MOVWF EECON2

MOVLW H'AA'

MOVWF EECON2

BSF EECON1,WR ; ACTIVO CICLO DE ESCRITURA

BTFSC EECON1,WR ;SALTA SI EL CICLO DE ESCRITURA

ES COMPLETADO

GOTO$-1

BCF STATUS,RP0

BCF STATUS,RP1

BSF INTCON,GIE

RETURN

PAUSA MOVLW .5

MOVWF CONT

MOVLW .15

MOVWF CONT1

MOVLW .5

MOVWF CONT2

DECFSZ CONT2,F

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GOTO$-1

DECFSZ CONT1,F

GOTO$-5

DECFSZ CONT,F

GOTO$-9

RETURN

PAUSA2 MOVLW .8

MOVWF CONT3

MOVLW .192

MOVWF CONT13

MOVLW .20

MOVWF CONT23

DECFSZ CONT23,F

GOTO$-1

DECFSZ CONT13,F

GOTO$-5

DECFSZ CONT3,F

GOTO$-9

RETURN

END

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ANEXOS 2 PROTOTIPO VALVULA DE CONTROL