En este artículo se presenta el diseño de una aplicación novedosa que permite automatizar la lectura de parámetros químicos como la acidez-alcalinidad (pH), conductividad (mV) y la temperatura (°C), entre un dispositivo Hanna HI2550 y una computadora mediante el estándar RS-232, a través de un puerto USB. Los resultados obtenidos permitieron conocer que la frecuencia máxima de lectura que soporta el dispositivo Hanna HI2550 fue de un segundo, lo cual fue validado mediante un estudio estadístico a partir de diez ejecuciones independientes del experimento, considerando diferentes frecuencias de lectura. Finalmente, los resultados obtenidos permitieron concluir que la aplicación desarrollada es factible de ser utilizada en ambientes industriales, en donde se requiera de la lectura constante de parámetros químicos por periodos prolongados de tiempo de manera automática.

Palabras clave: automatización, Hanna HI2550, puerto serial, Java, JavaFX.

This article presents the design of a novel application that allows the automation of the reading of chemical parameters such as acidity-alkalinity (pH), conductivity (mV) and temperature (°C), between a Hanna HI2550 device and a computer using the RS-232 standard, through a USB port. The results obtained allowed us to know that the maximum reading frequency supported by the Hanna HI2550 device was one second, which was validated through a statistical study based on ten independent executions of the experiment, considering different reading frequencies. Finally, the results obtained allowed us to conclude that the developed application is feasible to be used in industrial environments, where the constant reading of chemical parameters for long periods of time is required automatically.

Keywords: automation, Hanna HI2550, serial port, Java, JavaFX.

La ingeniería de software se ha vuelto fundamental en la automatización de procesos industriales controlados por computadoras y aplicaciones¹. Dentro de la base de datos de ScienceDirect existen más de 16 millones de artículos, distribuidos en 2500 journals, los cuales presentan innovaciones sobresalientes relacionadas con la automatización de procesos². Considerando este antecedente, resulta relevante que el área de la química aplicada en procesos industriales también podría beneficiarse con la automatización de procesos³.

Actualmente, en la Universidad Tecnológica de León, dentro del área académica de Química y procesos industriales, se cuentan con varios dispositivos de medición multiparamétrica Hanna HI2550. Estos dispositivos son empleados por las y los alumnos, profesoras y profesores e investigadores(as) para la realización de diversas actividades, en las que se requiere medir niveles de acidez-alcalinidad, conductividad y temperatura. Sin embargo, existen procesos químicos, como los relacionados con la electrocoagulación, en los cuales es deseable realizar mediciones de manera constante durante periodos prolongados. De manera tradicional, para obtener las mediciones citadas anteriormente, se requiere de una operación manual del dispositivo Hanna HI2550. La propuesta de este trabajo es el desarrollo de una aplicación que permite automatizar la lectura de los diversos parámetros químicos mencionados previamente. Así mismo, los resultados presentados en este trabajo permitieron validar de manera estadística la mayor frecuencia de lectura con la que el dispositivo Hanna HI2550 puede operar, la cual es de 1 segundo. Este mismo análisis permitió validar la factibilidad de la aplicación desarrollada para ser utilizada en conjunto con el dispositivo Hanna HI2550 en procesos industriales complejos y prolongados en los que se requiere una lectura constante de parámetros químicos de manera automatizada.

Este artículo está dividido en cinco secciones, comenzando con una introducción al problema estudiado. En la segunda sección se define el objetivo; en la tercera se caracteriza el planteamiento del problema; en la cuarta se definen los conceptos y metodología utilizados en el desarrollo de la aplicación; en la quinta se describe la solución propuesta. Finalmente, en la conclusión se hace una síntesis de los hallazgos significativos a partir de los resultados logrados. Es importante mencionar que, con base en los resultados que se obtuvieron, se pudo concluir que la aplicación construida es factible de ser utilizada en ambientes y procesos industriales, donde se requiera una lectura constante de parámetros químicos de manera automatizada, mediante el uso del dispositivo Hanna HI2550 y una computadora.

Lograr la lectura automática continua de parámetros químicos desde un dispositivo Hanna HI2550.

El problema por resolver es la lectura de parámetros químicos desde un dispositivo Hanna HI2550 hacia una computadora a través del puerto USB, mediante una comunicación serial, de manera constante y automática, en la que no se requiera de la supervisión y operación manual, por parte de una persona, durante el proceso de lectura. Así mismo, se requiere conocer la frecuencia máxima con la que el dispositivo Hanna HI2550 es capaz de responder a las peticiones de lectura.

Instrumentos de medición multiparamétricos

La mayoría de los equipos de medición de factores químicos utilizan electrodos para realizar las mediciones de los diferentes parámetros. Dichas mediciones se realizan mediante una diferencia de potencial, para generar una respuesta del parámetro que se desea cuantificar. Un aspecto bastante importante que se debe considerar en casi todos estos dispositivos es la necesidad de una calibración previa al análisis, con la finalidad de asegurar que los valores que se están obteniendo tengan un sentido físico.

Dispositivo Hanna HI2550

El medidor multiparamétrico Hanna HI2550 es para la medición de diversos parámetros, entre ellos la alcalinidad-acidez, la temperatura y la conductividad. Se utiliza en campos como la química, la biología y la industria, como una herramienta fundamental para el monitoreo de sustancias. La Figura 1 ilustra uno de los dispositivos Hanna HI2550 con los que cuenta la Universidad Tecnológica de León.

Figura 1. Dispositivo Hanna HI2550. Fuente: elaboración propia

Comunicación serial en Java

La interfaz de comunicación RS-232 es la más ampliamente utilizada como medio de comunicación para el envío y recepción de datos entre la computadora y diversos dispositivos electrónicos e industriales, como el Hanna HI2550^{4, 5}. Hasta el año 2010 aproximadamente, algunos modelos de computadoras solían incorporarlo como el puerto serial COM o DB9, el cual contaba con 9 pines para la comunicación. Para la transmisión de datos, era común utilizar un método de conexión con 3 hilos, conocidos como tierra (GND), pin de lectura (RXD) y pin de transmisión (TXD)⁶. La Figura 2, muestra el esquema de comunicación serial con el estándar RS-232 mediante el puerto DB9.

Figura 2. Comunicación serial mediante el protocolo RS232 a través del puerto DB9. Fuente: elaboración propia

Actualmente, la gran mayoría de las computadoras y laptops carecen de este puerto debido, principalmente, a la considerable reducción de tamaño que han tenido en los últimos años. Sin embargo, aún es posible trabajar con el protocolo RS-232 mediante la conexión a un puerto USB (Universal Serial Bus) el cual, mediante el controlador adecuado, permite emular el protocolo RS-232. Para el caso de la plataforma Java^{7, 8, 9}, existe la librería jSerialComm¹⁰, que permite establecer comunicación con diferentes dispositivos mediante el puerto serial a través del estándar RS232.

JavaFX

JavaFX es un framework enfocado en el desarrollo de aplicaciones gráficas, el cual permite implementar estilos visuales que dan como resultado aplicaciones conocidas como clientes ricos o rich clients (siendo "Rich" un término para describir cuán atractiva e interactiva es una interfaz de usuario en el nivel de presentación)^{11, 12}.

En este artículo se presenta una propuesta de solución para automatizar la lectura de parámetros químicos desde un dispositivo Hanna HI2550, basada en una aplicación que contiene una interfaz de usuario completamente gráfica que facilita la interacción con diferentes modos de lectura, incluyendo la adquisición automática de mediciones de parámetros de manera continua.

El diseño de la solución consta de dos módulos, los cuales permiten tener una estructura flexible y organizada de recursos y código. Dichos módulos corresponden a la comunicación y a la interfaz gráfica de usuario. El primer módulo es el encargado de establecer la comunicación con el dispositivo Hanna HI2550 para la lectura continua de los parámetros químicos de las sustancias, proporcionando una recopilación de datos en tiempo real. Por otra parte, el módulo de la interfaz el usuario se encarga de brindar una experiencia de usuario enfocada en la facilidad de uso mediante la implementación de una interfaz gráfica amigable. Dentro de esta se muestran los valores de las lecturas recolectadas, para que el monitoreo de los valores obtenidos se vuelva más sencillo, siendo accesible la lectura de tres diferentes parámetros en una sola pantalla y con la capacidad de exportar estos datos a un archivo para su lectura y procesamiento posterior. La Figura 3, ilustra el diseño modular de la aplicación desarrollada.

Figura 3. Diseño modular de la aplicación desarrollada. Fuente: elaboración propia

Dado que el dispositivo Hanna HI2550 tiene la capacidad de medir diferentes parámetros como la acidez, conductividad y temperatura, el módulo de comunicación se diseñó para que pudiera tomar las lecturas de todos los parámetros de forma simultánea. Para la medición de la alcalinidad-acidez se utilizó la medida de pH; para la conductividad se utilizó la unidad del milivoltio (mV); finalmente, para la temperatura la unidad utilizada fueron los grados centígrados (°C).

Las unidades de medida descritas previamente para los diferentes parámetros son predeterminadas del dispositivo Hanna HI2550 y no pueden modificarse. Solo puede modificarse la resolución o precisión de lectura para el caso del pH. La Figura 4, ilustra la arquitectura diseñada para el módulo de comunicación encargado de la lectura asíncrona de datos desde el dispositivo Hanna HI2550.

Figura 4. Arquitectura del componente de comunicación para la lectura asíncrona de valores de parámetros desde el dispositivo Hanna HI2550. Fuente: elaboración propia

Una vez terminado el desarrollo de la aplicación, se realizaron diferentes pruebas de comunicación y de lecturas automatizadas con la finalidad de asegurar los resultados obtenidos. Para la experimentación se utilizó una computadora con un procesador Intel Core i7 vPro de 7ma. Generación y 8 GB de RAM. La aplicación desarrollada se ejecutó sobre la distribución completa (JDK Full) Liberica JDK 17 a 64 bits¹³.

La Tabla 1 describe un análisis estadístico a partir de los resultados obtenidos al realizar 10 pruebas independientes con diferentes frecuencias de lectura en un rango de [0.5, 3600] segundos. Cada prueba fue ejecutada por un periodo de 30 horas.

Tabla 1. Análisis estadístico de los tiempos de respuesta del dispositivo Hanna HI2250 considerando diferentes frecuencias de lectura (F. L.) en un rango de [0.5, 3600] segundos. Se contempla el tiempo mínimo (Min), máximo (Max), promedio (Media), mediana (Mediana) y desviación estándar (Desv. Est.), del tiempo de respuesta, medido en segundos. Fuente: elaboración propia.

De acuerdo con los datos presentados en la Tabla 1, se pudo comprobar y verificar que la mayor frecuencia de lecturas constantes que se puede establecer para lecturas continuas es de 1000 milisegundos. Establecer un valor menor a 1000 significa realizar más de una lectura en menos de un segundo. Esto provoca que el dispositivo Hanna HI2550 deba encolar las peticiones, así como los procesos de lectura, provocando retrasos en la devolución de los resultados. Por lo tanto, la frecuencia de lectura máxima es de 1 segundo. En contraste, mientras menor sea la frecuencia de lectura, menor es la variación en el tiempo de respuesta, pues da oportunidad al dispositivo de procesar la petición, realizar la medición y devolver el resultado de manera adecuada. La Figura 5, ilustra el tiempo de respuesta promedio en milisegundos, que se obtuvo al realizar lecturas automatizadas a diferentes frecuencias.

Figura 5. Tiempo de respuesta promedio en milisegundos (eje y) del dispositivo Hanna HI2550 considerando diferentes frecuencias de lectura en segundos (eje x) en el rango [0.5, 3600]. Fuente: elaboración propia

Considerando los resultados ilustrados en la Figura 5, se puede verificar que el dispositivo Hanna HI2550 puede dar tiempos de respuesta adecuados a una frecuencia de lectura máxima de un segundo.

Una vez realizadas las pruebas previamente descritas, se hicieron otras adicionales para validar los resultados de las lecturas realizadas tanto en un ambiente controlado como en uno real, utilizando diferentes muestras de líquidos con distintos elementos diluidos. Al realizar estas pruebas se obtuvieron los datos esperados por el especialista, los cuales fueron desplegados y graficados dentro de la interfaz visual de la aplicación, como se ilustra en la Figura 6.

Figura 6. Interfaz de usuario principal de la aplicación. Fuente: elaboración propia

Una vez concluida las etapas de desarrollo y experimentación, algunos hallazgos relevantes fueron, por ejemplo, el hecho de que el dispositivo Hanna HI2550 tiene una frecuencia máxima de petición de lectura multiparamétrica de 1 segundo. Esta frecuencia es suficiente en casi todos los escenarios que no son de misión crítica y donde es adecuado el uso del dispositivo HI2550. Por otra parte, las posibilidades de procesamiento de información que se tienen al lograr realizar lecturas multiparamétricas de manera continua son muchas, de acuerdo con los diferentes contextos de aplicación en el área de la química. Finalmente, resulta relevante el hecho de que con esta propuesta ya no se requiere de una persona que opere el dispositivo de forma manual para la lectura de parámetros químicos, lo que posibilita la recolección de valores de dichos parámetros por periodos prolongados de tiempo, así como en escenarios de alto riesgo derivados de la propia naturaleza de sustancias químicas que resultan nocivas y peligrosas para los seres humanos.

Conclusiones

Agradecimientos

Referencias