MIME-Version: 1.0 Content-Type: multipart/related; boundary="----=_NextPart_01D56625.460ABE70" Este documento es una página web de un solo archivo, también conocido como "archivo de almacenamiento web". Si está viendo este mensaje, su explorador o editor no admite archivos de almacenamiento web. Descargue un explorador que admita este tipo de archivos. ------=_NextPart_01D56625.460ABE70 Content-Location: file:///C:/E64C1892/FormatoCienciaDigital2020-LIFIJPaucar.htm Content-Transfer-Encoding: quoted-printable Content-Type: text/html; charset="windows-1252"
Evaluation of Li-Fi communication system applied to a control plant
=
Jorge
Luis Paucar Samaniego [1], =
Oswaldo
Geovanny Martínez Guashima [2],<=
/span> Daysi
Recibido: 10-05-2019 / Revisado: 15-06-209 /Aceptado: 06-07-2019/
Publicado: 28-07-2019
The document presents the development and implementat=
ion
of a data transmission system developed with Li-Fi technology to monitor
variables of a laboratory plant. In its first stage, an acquisition and
processing data is developed to then implement a monitoring system on the w=
eb.
Virtual instrumentation of acquisition and control is used which was progra=
mmed
in LabView2018 and the variables that are studied are speed and temperature.
Tests on the algorithms were performed, the criteria of integral of the
absolute error (IAE) is applied. The integral of the time for the absolute
error (ITAE) is used in order to monitor the processes on the web with the =
Web
Publishing Tool and the efficiency of data transmission was contrasted with=
the
Wi-Fi communication. During the tests, the communications data traffic was
captured by the Wireshark software and then evaluated by the Steelcentral
Packet Analyzer software. As a result, it was possible to determine that Li=
-Fi
has a lower latency time than Wi-Fi, what directly influences in the ITAE of
the processes.
Resumen.
El documento presenta el desarrollo y puesta en ma=
rcha
de un sistema de transmisión de datos desarrollado con tecnología Li-Fi para
realizar un monitoreo de variables de una planta de laboratorio. En su prim=
era
etapa se desarrolla una fase de adquisición y procesamiento de datos para l=
uego
implementar un sistema de monitoreo en la web. Se utiliza instrumentación
virtual de adquisición y control la cual fue programada en LabView2018 y las
variables que se intervienen son velocidad y temperatura. Se realizaron pru=
ebas
sobre los algoritmos, se emplea los criterios de integral del error absoluto
(IAE). La integral del tiempo por el error absoluto (ITAE) es utilizada par=
a el
monitoreo de los procesos en la web con la herramienta Web Publishing Tool =
y se
contrastó la eficiencia de transmisión de datos con comunicación Wi-Fi. Dur=
ante
las pruebas, el tráfico de datos de las comunicaciones fue capturado con el
software Wireshark y para luego evaluarlo con el software Steelcentral Pack=
et
Analyzer. Como resultado se logró determinar que Li-Fi tiene un tiempo de
latencia menor que el de Wi-Fi lo que influye directamente en el ITAE de los
procesos.
Palabras claves: Instrumentación electrónica, telecomunicaciones, métodos de
evaluación matemáticos, redes, Li-Fi
Introducción.
Este documento define el
procedimiento y los resultados obtenidos en el desarrollo de transmisión de
datos de un proceso de control con comunicación Li-Fi. Más de medio millón =
de
dispositivos son ańadidos por ańo a redes de transmisión de datos a través
redes de comunicación inalámbricas, las cuales, son limitadas en gran medida
debido a su ancho de banda. Nuevas tecnologías son diseńadas y probadas para
suplir las necesidades de comunicación que serán demandadas en pocos ańos, =
en
contra parte, el espectro visible de luz ofrece un ancho de banda de frecue=
ncia
superior, es por eso que, entre una de estas tecnologías que utiliza la luz
visible como medio de comunicación está la denominada Li-Fi (Light Fidelity=
) la
cual posee características inalámbricas, bidireccionales, multi usuario y su
grado de contaminación electromagnética es prácticamente nulo, por lo cual<=
/span> Li-Fi es un potencial candidato p=
ara
aplicaciones de comunicación entre dispositivos. La flexibilidad de las red=
es
inalámbricas nos permite establecer ventajas como hardware de tamańo reduci=
do y
robustez ante perturbaciones externas [1]. De este modo el estudio tiene la
intencionalidad de relacionar el control de procesos con Li-Fi como medio de
comunicación para la transmisión de datos de manera bidireccional.
Trabajos Relacionados
El país en el cual se realizan la mayor canti=
dad
de investigación sobre Li-Fi es Reino Unido, en Latinoamérica no se registra
investigaciones al respecto, los trabajos conexos que se analizan para inic=
iar
el estudio son los siguientes: [2] establece un análisis de comunicación con
base a luz visible, considera que Li-Fi es una aplicación superior a VLC, su
uso se enfoca en realizar sistemas inalámbricos completamente conectados a =
la
red, puede ser empleado también en sistemas del tipo IoT, [3] concluye que =
Li-Fi
logra transmisión y recepción de datos y puede resultar más barato debido a=
la
gran cantidad de bombillas desplegadas al interior de edificaciones.[4] rea=
liza
una investigación empírica sobre la orientación aleatoria con base en Lapla=
ce
que puede seguir un usuario aleatorio con el fin de evaluar el rendimiento =
del
sistema. No se puede determinar trabajos que relacionen el control de proce=
sos
industriales con Li-Fi como medio de comunicación para la transmisión de da=
tos
de manera bidireccional. Las investigaciones antes mencionadas manejan térm=
inos
generales que son:
Redes
Inalámbricas: Las redes sin cableado son más prácticas para los
usuarios y permiten desarrollar nuevos productos y servicios, actualmente
varias tecnologías son desarrolladas para implementar enlaces punto a punto=
y
multipunto, bajo este concepto se incluye a Li-Fi. Wi-Fi es, hoy en día, la
tecnología más utilizada con base en el número de dispositivos que la usan =
para
conectarse a Internet. Los estándares inalámbricos IEEE 802.11a, 802.11b,
802.11g y 802.11n se denominan en conjunto tecnologías Wi-Fi.
Comunic=
ación
por luz visible: al hablar de comunicación por luz visible o VLC, =
se
hace referencia a una fuente de iluminación como un LED (diodo emisor de lu=
z)
que también es capaz de transmitir información, es decir que VLC es la suma=
de
iluminación más comunicación. Todo esto es factible gracias a su alta veloc=
idad
de transmisión de datos. [5] VLC es una tecnología de corto alcance debido =
a la
distancia de propagación de luz que emiten los diodos LED, el espectro de l=
uz
visible es modulado para transmitir la información. Como se aprecia en la
figura 1, el espectro electromagnético de luz visible cubre entre 350 nm y =
800
nm de longitud de onda y las frecuencias están comprendidas entre 400 THz y=
700
THz [6].
Figura 1 Espectro Electromagnético
Fuente: ht=
tps://www.scienceinschool.org
Light
Fidelity: En el estándar IEEE 802.15.7 se encuentra Li-Fi que es una aplicac=
ión
de las comunicaciones por luz visible (VLC), es decir, usa el espectro de la
luz visible para trasmitir datos. Su capacidad es 10.000 veces mayor a la
disponible actualmente en el espectro radioeléctrico, una de las ventajas de
esta tecnología es que los actuadores como emisores de luz se pueden instal=
ar
en lugares cerrados. Li-Fi aprovecha la frecuencia de conmutación de los LE=
D la
cual es muy alta esto es otra ventaja que se maneja para trasmitir datos en
formato binario. [3]
Metodologia.
Se diseńa un experimento ejecutado sobre un p=
roceso
en una planta de control de laboratorio, se desarrolla una transmisión de d=
atos
a través de una red Li-Fi y una red Wi-Fi para luego validar los resultados=
. Se
sigue el esquema mostrado en el diagrama de flujo de la figura 2.
Figura 2 Diagrama de flujo de la metodología aplicada
Fuente: Elaboración propia
En la figura 3 se muestra la arquitectura general =
del
sistema, el primer paso es la adquisición de datos generados en la planta E=
PC,
para lo cual se utiliza una tarjeta de adquisición de datos MyDAQ
de National Instruments Ž que se comunica a la =
PC por
medio del puerto serial para luego ser procesados y controlados por un
instrumento virtual programado sobre la PC. A continuación, los datos son
publicados a internet mediante módulos transmisores. Finalmente, los valore=
s de
las variables del proceso pueden ser visualizados y monitoreados remotament=
e a
través de una página web para su posterior evaluación.
Figura 3 Arquitectura
general del sistema
Fuente: Elaboración propia
Pocas son las empresas que ofrecen tecnología Li-F=
i al
usuario final debido a que estos productos están en fase de experimentación=
y
prueba. Se determina que dos empresas a nivel mundial se encuentran en la
capacidad de proporcionar estos dispositivos a institutos de investigación,=
una
de ellas es la empresa denominada PURE Li-Fi la cual ofrece varios disposit=
ivos
de comunicación y actuadores (lámparas) como se observa en la figura 3, las
características principales de los equipos según el fabricante son:<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;background:white;mso-ansi-langua=
ge:
ES-EC'>
ˇ =
El
sistema Li-Fi totalmente conectado a la red proporciona IPv4 de extremo a
extremo y conectividad IPv6.
ˇ =
Enlace
inalámbrico full dúplex que proporciona 43 Mbps tanto de subida como de
descarga.
ˇ =
Distancia
mínima de operación 60 cm.
ˇ =
Distancia
máxima de operación 6 m.
ˇ =
Punto
de acceso admite hasta 8 estaciones.
ˇ =
Gran
cantidad de actuadores luminarias LED.
ˇ
Soporta
DALI, 0-10 V y CoAP
Figura
4
Conexión dispositivos Li-Fi
Fuente: Pure
Li-Fi
Figura 5 Instalación módulos Li-Fi
Fuente: Elaboración propia
1. Dar clic derecho en el a=
rchivo
install.exe y ejecutar como administrador.
2. Cuando la ventana del
instalador del USB Li-Fi-XC se abre, dar clic en siguiente.
3. Dar clic en finalizar en=
la
ventana del instalador del USB Li-Fi-XC.
4. Una vez finalizada la
instalación del controlador se conecta el Li-Fi-XC éste crea una red en el
computador similar a la red Wi-Fi como se muestra en la figura 6.
Figura 6 Detecc=
ión de
red Li-Fi
Fuente: Elaboración propia
Es importante conocer si el esta=
do
los equipos se encuentran listos para transmitir datos, para ello se debe
observar el color del led que tiene cada uno de los dispositivos.
ˇ &nb=
sp;
Rojo: Intenta detectar el controlador.
ˇ &nb=
sp;
Rojo intermitente: falla.
ˇ &nb=
sp;
Naranja: Modo Standby.
ˇ &nb=
sp;
Verde: Encendido y listo para usarse.
Los algoritmos de control se
implementan sobre una planta de laboratorio desarrollada por el fabricante
DataLightsŽ. Que se muestra en la figura 7. Esta planta de laboratorio perm=
ite
realizar el control de procesos experimentales de variables como temperatur=
a,
velocidad, posición y el tratamiento de seńales de AC. Ésta contiene el sis=
tema
instrumental necesario para la generación y adquisición de datos con una
tarjeta basada en microcontroladores; para esto se utilizó la tarjeta MyDAQ=
que
posee 8 I/O digitales, 3 entradas analógicas y 2 salidas analógicas puras, =
su
resolución en su entrada analógica es de 16 bits, la velocidad de muestreo =
es
de 200 kS/s (miles de muestras por segundo). Ta=
mbién
se puede configurar entradas y salidas digitales cuya frecuencia de conmuta=
ción
es alta para el monitoreo de decodificadores ópticos (=
encoders)
y generación de seńales de modulación por ancho de pulso (PWM).
Figura 7
EPC y MyDAQ para los procesos de velocidad y térmico
Fuente: Elaboración propia
Desarrol=
lo
de Instrumentos Virtuales en LabView2018 (vi): El tiempo de establecimiento de la varia=
ble
controlada es un dato importante que se debe considerar, por lo tanto, se d=
esea
validar la comunicación con dos procesos diferentes en su dinámica. El prim=
ero
es un proceso cuya dinámica es alta en el cual el actuador principal es un
motor de DC cuyo rango de velocidad es de 0 a 4000 rpm y el otro es un proc=
eso
con dinámica lenta como es un térmico cuyo rango de funcionamiento oscila e=
ntre
0°C a 80°C, en este caso el actuador es un diodo led que incrementa su temp=
eratura
en función del tiempo de encendido.
Instrume=
nto
virtual de velocidad: El desarrollo del instrumento virtual del proceso=
de
velocidad se visualiza en la figura 8, consta de un ciclo while en cuyo
interior se encuentran los iconos del complemento NI DAQmx y Control and Desing Simulation para la
adquisición y control de los datos de planta, los cuales son obtenidos por =
el
enconder de manera analógica para ser procesados por el icono Tone Mesurements, el obje=
tivo es
conseguir su frecuencia y su amplitud. Si la amplitud es menos que 1 quiere
decir que el motor DC no gira, por ende, el encoder entregará una seńal sin
pulsos, la frecuencia es entonces variable indirecta que se utiliza para me=
dir
la variable velocidad.
Figura 8 Diagra=
ma de
bloques del control de velocidad
Fuente: Elaboración propia
Instrume=
nto
virtual térmico: El desarrollo del instrumento virtual para el cont=
rol
del proceso térmico se ha dividido en dos ciclos while. El primero está
relacionado con la adquisición de datos como se puede observar en la figura=
9,
en el segundo se desarrolla un control del tipo proporcional cuyo actuador
térmico es el led y, un control del tipo on/off al ventilador de la planta,
también contiene la programación necesaria para incrementar proporcionalmen=
te
la temperatura, como se puede observar en la figura 10 que utiliza una seńal
del tipo PWM para encender de manera proporcional el actuador.
Figura 9 Lazo de adquisición de datos y controlador del p=
roceso
térmico
Fuente: Elaboración propia
Figura 10 Lazo de
generación de seńal PWM
Fuente: Elaboración propia
Algorit=
mo de
control de velocidad: Para obtener los valores de los parámetros del
controlador se aplica el segundo método de Ziegler-Nichols. Al usar el proc=
eso
obtenemos como resultado la velocidad mostrada en la figura 11 la cual nos
permite calcular el periodo y determinar las constantes Kcr,
Fcr y Pcr detallado=
s en la
tabla I. [7]
Figura 11 Seńal oscila=
nte
para obtener el periodo.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 1 Valores de Kcr, Fcr y Pcr usados en la
sintonización proceso velocidad
PARÁMETRO |
VALOR |
UNIDAD |
Kcr |
0.0027=
0 |
------=
--- |
Fcr |
3.15=
span> |
Hz |
Pcr |
0.3467=
|
s |
Fuente: Elaboración propia
Algorit=
mo de
control térmico: Para establecer los parámetros del controlador del
proceso térmico se utiliza el primer método de Ziegler-Nichols. Con la gráf=
ica
generada por el controlador proporcional, se aplica el método experimental =
de
la primera regla de Ziegler-Nichols [7]. Este consiste en encontrar
gráficamente un punto en la respuesta de la planta a un escalón unitario, la
curva generada tiene forma de S y se caracteriza por los parámetros que son=
: el
tiempo de retardo L y la constante de tiempo T, con estos se obtienen con u=
na
recta tangente en el punto de inflexión de la curva y se determina las inte=
rsecciones
de la recta con el eje del tiempo y el eje de la temperatura como se muestr=
a en
la figura 12 y los parámetros conseguidos de manera experimental se detalla=
n en
la tabla II.
Figura 12 Respuesta del
sistema térmico
Fuente: Elaboración propia
Tabla
2 Valores obtenidos con el segundo método Z&N
CONTROLADOR |
KC |
TI(S) |
TI(MIN) |
KI(S) |
KD(MIN) |
P |
0.0013=
5 |
Inf |
Inf |
0 |
0 |
PI |
0.0012=
1 |
0.2639=
1 |
0.0043=
98 |
0 |
0 |
PID |
0.0016=
2 |
0.1583=
5 |
0.0026=
39 |
0.0395=
8 |
0.0006598 |
Fuente: Elaboración propia
Se impleme=
nta
los tres controladores con los datos obtenidos de los procedimientos de
sintonización, como resultado final se obtiene los parámetros expresados en=
la
tabla III, estos controladores se someten a validación.
Tabla
3
Parámetros de los controladores
proceso térmico
TIPO DE
CONTROLADOR |
Kc |
Ti(s) |
Ti(min)=
|
Td(s) |
Td(min) |
P |
21 |
inf |
inf |
0 |
0 |
PI |
18.9=
span> |
16.66 |
0.2778 |
0 |
0 |
PID |
25.2=
span> |
10 |
0.1667 |
2.5 |
0.0417 |
Fuente:=
=
Elaboración propia
Resultados
Figura
13 IAE de los controladores PI y PID=
de velocidad
Fuente: Elaboración propia
Figura 14 IAE de los controladores PI y PID de temperatura con diferentes setpoint
Fuente: Elaboración propia
Una vez
determinado el mejor algoritmo de control se desea validar su efectividad a
través de la comunicación Li-Fi. Se contrasta con una comunicación del tipo
Wi-Fi basada en el protocolo 802.11.n. debido a que es el más usado actualm=
ente
y se encuentran en la misma capa del modelo OSI. Es importante examinar la
latencia de la comunicación inalámbrica ya que es el vínculo de análisis en=
tre
el enlace y los procesos controlados, para esto se utiliza el método de
análisis de eficiencia de controladores denominado ITAE (Integral del error
absoluto por el tiempo), [GDLC1] cuyo cálculo se lo realiza con la ecuación 2.=
[9]
Proceso de velocidad: En la figura 15 se muestra la respuesta de la planta para el proceso=
de
velocidad con el controlador PI y setpoint de 2000 rpm, al observar la figu=
ra
se determina que el tiempo que necesita el sistema para alcanzar el setpoint
establecido de 1 s.
=
=
=
Figura 15 Respuesta d=
el
controlador PI con un setpoint de 2000 rpm
=
Fuente: Elaboración propia
A través de la herramienta Web Publishing Tool Ž se
recopiló los resultados de la comunicación inalámbrica, tanto para Li-Fi co=
mo para
Wi-Fi del proceso de velocidad, se divisa los resultados en la tabla IV, ad=
emás
se puede distinguir gráficamente en la figura 16 la diferencia del valor de
ITAE para los dos enlaces
Tabla 4 Resultados obtenidos con la evaluación ITAE <= o:p>
Setpoint |
ITAE
Li-Fi |
ITAE
Wi-Fi |
PI/SP=3D 2000 rpm |
34272.25 |
218545.68 |
PI/SP=3D 2500 rpm |
30308.04 |
240984.44 |
PI/SP=3D 3000 rpm |
31126.96 |
228797.01 |
Fuente: Elaboración propia
Figura 16 ITAE usando
Li-Fi y Wi-Fi en un proceso de velocidad
Fuente: Elaboración propia
Fuente: Elaboración propia
Tabla 5 Resultados evaluación control de temperatura
CTRL/SP=
|
ITAE Li=
-Fi |
ITAE Wi=
-Fi |
PI/SP=3D60 °C |
1679.21 |
67389.56 |
PI/SP=3D65 °C |
2093.18 |
80989.56 |
PI/SP=3D70 °C |
2470.76 |
82391.62 |
Fuente: Elaboración propia
Figura 18 ITAE del
proceso térmico comunicación Li-Fi y Wi-Fi
Fuente: Elaboración propia
ˇ =
Esta investigación fue limitada al entorno en el c=
ual
se realizaron sus pruebas, su luminaria proporcionó la máxima cantidad de
lúmenes permitidos, se inicia el siguiente trabajo se planteando introducir
perturbaciones lumínicas, como las que se puede suscitar en una planta
industrial, con el fin de atenuar o incrementar la cantidad de lúmenes
proporcionados por el actuador LuciCupLi-Fi, lo=
que
implica diseńar un controlador que permita obtener la menor cantidad de pér=
dida
de información en base a la cantidad de lúmenes emitidos por el actuador
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PARA CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
<= span lang=3DES>Paucar Samaniego, J., Martínez Guashima, O., Guanga Chunata, D., & Navarrete Chávez, F. (2019). Evaluación de un sistema de comunicación Li-Fi aplicado sobre una planta de control. Ciencia Digital, 3(3.2.1), 88-108. ht= tps://doi.org/10.33262/cienciadigital.v3i3.2.1.784
El artículo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
reflejan el pensamiento de la Revi=
sta
Ciencia Digital.
El
artículo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, carrera de Electrónica y Automatización, Faculta=
d de
Informática y Electrónica , Riobamba, Ecuador, jlpaucar@espoch.edu.ec
[2]=
span> Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, carrera de Telecomunicaciones, Facultad de
Informática y Electrónica , Riobamba, Ecuador, geovanny.martinez@espoch.edu=
.ec
[3] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, carrera de Telecomunicaciones, Facultad de Ciencias. Riobamba, Ecuador. daysi.guanga@espoch= .edu.ec
[4] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, carrera de Física, Facul= tad de Ciencias. Riobamba, Ecuador. fausto.navarrete@espoch.edu.ec
[GDLC1]Redacción no se entiende
www.cienciadigital.org =
Vol.
3, N°3.2.1, p. 88-108, julio, 20