7288743 instrumentacion virtual industrial

Henry Antonio Mendiburu Díaz

INSTRUMENTACIÓN

VIRTUAL INDUSTRIAL

PERÚ MMVI

INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL

Derechos reservados conforme a Ley Partida Registral N° 00768-2006 Asiento 01 , Expediente N° 001162-2006 INDECOPI PERÚ

(VERSIÓN E-BOOK)

Copyright © Henry Antonio Mendiburu Díaz Impreso en Perú

Julio/2006 Formato: 25x18cm, 180 páginas

No se permite la reproducción total o parcial de este libro, ni el almacenamiento en un sistema informático, ni la transmisión mediante cualquier medio electrónico, mecánico, fotocopia, por registro u otro, sin la autorización previa del titular del Copyright.

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INTRODUCCION

En los ú lt imos años el concepto de au tomat ización ha ido evolucionando rápidamente debido a que con ella se puede mejorar las operaciones de un proceso product ivo, además de la ca lidad de los bienes producidos, garantizando a las empresas lograr sus objet ivos con un desempeño óptimo.

Un sistema au tomat izado esta conformado por elementos o inst rumentos, lo cua les son u t ilizados para medir var iables físicas, ejercer acciones de control y transmitir señales. La automatización br inda fact ibilidad para la implementación de funciones de aná lisis, opt imización y autodiagnóst ico, aumento en el rendimiento de los equipos y facilidad pa ra incorporar nuevos equipos y sistemas de información.

Los avances tecnológicos de los ú lt imos años han abier to posibilidades para cambiar la est ructura r ígida de los sistemas t radiciona les, por una est ructura flexible que se apoya en las computadoras, circu itos de acondicionamiento, t ransmisión de da tos, hardware de adquisición de datos y software.

La inst rumentación vir tua l lo const ituye el conjunto de software y hardware que agregado a una PC, permite a los usuar ios in teractuar con la computadora como si se estuviera utilizando un instrumento electrónico hecho a l gusto del clien te. Las mediciones y accionamientos se rea lizan sobre el campo rea l, pero los sistemas de cont rol, mecanismos, regist radores, y ot ros disposit ivos serán adquir idos e in terconectados en el campo vir tua l. La idea es sust itu ir y amplia r elementos "hardware" por otros "software",

Este libro es una in t roducción a las nuevas herramientas que permiten la simulación de inst rumentos loca les o remotos y la adquisición y procesado de seña les, br indando la posibilidad de crear desde volt ímet ros y osciloscopios, hasta a lgor itmos genét icos y redes indust r ia les para diversas aplicaciones en los campos de la ingenier ía , la medicina , la domótica, la educación, etc.


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Entre los temas t ra tados en este libro tenemos una in t roducción a la inst rumentación indust r ia l y a los procedimientos de ca libración de inst rumentos; diagramas, símbolos y represen taciones gráficas de instrumentación; sistemas de control automático, métodos y estrategias de cont rol, sistemas de au tomat ización ; genera lidades acerca de la inst rumentación vir tua l, adquisición de da tos, digita lización de seña les, diseño de inst rumentos vir tua les; redes y comunicaciones indust r ia les, procesamiento de da tos en t iempo rea l, buses de comunicación para IV, hardware y software u t ilizado para IV; así como ejemplos de aplicaciones de instrumentación virtual.


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ÍNDICE

INTRODUCCIÓN 01

ÍNDICE 03

Capítulo I: INSTRUMENTACIÓN Y CALIBRACIÓN

1. Introducción a la instrumentación 07

1.1. Introducción 07

1.2. Características de los instrumentos 07

2. Introducción a la calibración 09

2.1. La calibración 09

2.2. Metrología 10

2.3. Patrones y trazabilidad 11

2.4. Calibración de instrumentos y patrones 11

3. Definiciones generales 12

4. Instrumentos industriales 16

4.1. Clasificación de los instrumentos industriales 16

4.2. Lazos de control 17

4.3. Acciones de control 19

5. Errores de medición 20

5.1. Tipos de error 21

6. Procedimientos de calibración 22

6.1. Procedimientos y recomendaciones 22

6.2. Normas ISO 17025 y ISO 9001 23

Capítulo II: SIMBOLOGÍA INDUSTRIAL

1. Introducción a la simbología industrial 25

2. Simbología de figuras 26

3. Simbología de líneas 29

4. Símbolos de válvulas y actuadores 30

5. Diagramas de instrumentación 33

6. Simbolismo de funciones 38

7. Identificación de instrumentos 39


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Capítulo III: SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO

1. Definiciones básicas 42

2. Elementos de un sistema de control automático 43

3. Características del control 45

3.1. Modelamiento matemático 45

3.2. Análisis de un sistema 46

3.3. Características dinámicas 47

4. Métodos de control 47

4.1. Métodos de control clásico 47

4.2. Métodos de control moderno 48

4.3. Métodos de control avanzado 50

4.4. Controlador lógico programable (PLC) 52

5. Estrategias de control 55

6. Sistemas Scada 56

6.1. Elementos del sistema 57

7. Sistemas de automatización 59

7.1. Elementos de una instalación automatizada 60

7.2. Procesos de operación del sistema 62

Capítulo IV: INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

1. Introducción a la instrumentación virtual 65

1.1. Generalidades 65

1.2. Instrumentación virtual frente a la convencional 67

2. Adquisición de datos 68

2.1. Etapas de la adquisición de datos 69

2.2. Acondicionamiento de señales 70

3. Digitalización de señales 72

3.1. Convertidor A/D

D/A 72

3.2. Error de conversión 73

4. Diseño y selección de tarjetas DAQ 75

4.1. Tipos de tarjetas DAQ 75

4.2. Componentes de las tarjetas DAQ 76

5. Diseño de instrumentos virtuales 78


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Capítulo V: COMUNICACIONES Y TRANSMISIÓN DE DATOS

1. Redes industriales 85

1.1. Jerarquías de redes 85

1.2. Clasificación de las redes 86

1.3. Sistemas de control distribuido 87

2. Comunicaciones industriales 88

2.1. Generalidades 88

2.2. Modelo OSI 91

2.3. Protocolos de comunicación 92

3. Procesamiento de datos en tiempo real 98

3.1. Sistemas en tiempo real 98

3.2. Software para sistemas RT 100

3.3. Control en tiempo real 101

4. Bus de comunicaciones para instrumentación 102

4.1. Arquitectura ISA 103

4.2. Arquitectura PCI 103

4.3. Puerto USB 104

4.4. Puerto PCMCIA 104

4.5. Arquitectura CompactPCI (cPCI) 105

4.6. Arquitectura PC/104 105

4.7. Puerto serial y puerto paralelo 106

4.8. IEEE-488 GPIB 106

4.9. Bus VXI 108

4.10. Otras arquitecturas y buses 109

Capítulo VI: HARDWARE Y SOFTWARE PARA INSTRUMENTACIÓN VIRUAL

1. Hardware para instrumentación virtual 111

1.1. Computadoras industriales 111

1.2. Puertos de comunicaciones 115

1.3. Sensores y DAQs 120

1.4. Tarjetas de adquisición 123

1.5. Dispositivos adicionales 124

2. Software para instrumentación virtual 127

2.1. Cyber tools 127

2.2. DasyLab 129

2.3. LabView 132


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2.4. Matlab Simulink 139

2.5. Otros softwares para adquisición y procesamiento de datos 143

Capítulo VII: APLICACIONES DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

1. Introducción 149

2. Adquisición y análisis de electrocardiogramas 150

3. Medidor virtual de energía eléctrica 151

4. Identificación de sistemas o procesos 152

5. Simulador de sistemas educativos 153

6. Implementación de un controlador PID 154

7. Desarrollo de filtros digitales 155

Anexo I: UNIDADES DEL SISTEMA DE MEDIDAS 157

Anexo II: CODIGOS ISA PARA INSTRUMENTACION 171

BIBLIOGRAFÍA 178


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Capítulo I

INSTRUMENTACION Y

CALIBRACION

1. INTRODUCCION A LA INSTRUMENTACION

1.1. INTRODUCCION

Los inst rumentos pueden ser u t ilizados para medir var iables físicas, ejercer acciones de cont rol median te elementos actuadotes, t ransmit ir in formación de un punto a ot ro, in terpreta r señales y median te a lgor itmos decidir el funcionamiento del sistema.

Los inst rumentos pueden ser elementos eléct r icos, mecánicos, neumát icos, h idráu licos, elect rón icos, una combinación de estos, o inclusive elementos activados manualmente.

Los instrumentos de medición pueden ser: - Ciegos: Cuando no t ienen ninguna indicación visible de la lectura

tomada - Indicadores: Cuando permiten visua liza r analógica o digita lmente la

lectura tomada - Regist radores: Cuando son capaces de a lmacenar la in formación

medida generando un historial de datos. - Transmisores: Cuando son capaces de envia r las lecturas tomadas

hacia un punto remoto.

1.2. CARACTERISTICAS DE LOS INSTRUMENTOS

Las caracter íst icas de los inst rumentos son aplicados genera lmente a los inst rumentos de medición , pero los inst rumentos actuadores también responden a las mismas características, estas son:


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Campo de Medida o Rango (Range)

E l rango es el conjunto de va lores en la esca la de medición dent ro de los límites super ior e in fer ior , denota la capacidad del equipo, puede expresarse en unidades físicas.

Alcance (Span)

E l span es la diferencia a lgebra ica en t re los va lores super ior e in fer ior del rango del equipo.

Exactitud

La exact itud es la capacidad del inst rumento para acercarse y poder medir el va lor rea l. Es el parámetro que representa o denota cuando una lectura puede ser incor recta , genera lmente se representa como un porcenta je de la esca la completa de lectura, o en términos de +/ las unidades del instrumento.

Precisión (Accuracy)

La precisión es la capacidad del inst rumento para poder indicar el va lor rea l. Precisión es un término que descr ibe el grado de divisiones que t iene un inst rumento en la esca la , si la esca la se subdivide en mayor número de divisiones, el inst rumento podrá seña la r de forma más precisa la medición dada.

Zona Muerta Dead zone, dead band)

La zona muer ta es el in terva lo de va lores de la var iable que no hace var ia r la indicación o la seña l del inst rumento, es decir que no se produce respuesta alguna.

Umbral

Es el n ivel mín imo necesar io para que el inst rumento empiece a indicar una medida, o para que empiece a ser registrado como un cambio.

Sensibilidad (Sensitivity)

La sensibilidad esta dada por la razón en t re el incremento de la lectura y el incremento de la var iable que la ocasiona , después de haber a lcanzado el reposo.

Repetibilidad (Repeatibility)


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La repet ibilidad es la capacidad del inst rumento de medir o indicar va lor idén t icos de la misma var iable ba jo las mismas condiciones de funcionamiento en todos los casos.

Resolución

La resolución es la mínima subdivisión de la esca la . A mayor resolución es instrumento será mas preciso.

Incertidumbre

La incer t idumbre denota la inexact itud del inst rumento o la t endencia a l error que pueda tener.

Linealidad

La linea lidad es aquella recta que indica el grado de proporciona lidad en t re la variable física y el valor medido, o entre la variable física y la acción ejercida.

Histéresis (Hysteresis)

La h istéresis es la diferencia máxima que se observa en los va lores indicados por el inst rumento para un mismo va lor del campo de medida , cuando la var iable recor re toda la esca la en forma ascendente y luego en forma descendente.

2. INTRODUCCION A LA CALIBRACION

2.1. LA CALIBRACION

Calibración es aquel conjunto de operaciones con las que se establece, en unas condiciones especificadas, la cor respondencia en t re los va lores indicados en el inst rumento, equipo o sistema de medida , o por los va lores representados por una medida mater ia lizada o mater ia l de referencia , y los va lores conocidos cor respondien tes a una magnitud de medida o pa t rón , asegurando así la t razabilidad de las medidas a las cor respondien tes unidades básicas del Sistema In ternaciona l (SI) y procediendo a su a juste o expresando esta correspondencia por medio de tablas o curvas de corrección.

Ca libración es simplemente el procedimiento de comparación en t re lo que indica un inst rumento y lo que "debiera indicar" de acuerdo a un pa t rón de referencia con valor conocido.


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La calibración implica un a juste que lleve a la igua ldad del va lor medido y el pa t rón de referencia , o la indicación de un factor de cor rección a ser aplicado matemáticamente luego de ejercida una medición.

Los patrones también deben ser calibrados por instituciones autorizadas, cada cier to t iempo, estas inst ituciones emiten un cer t ificado de ca libración que autoriza al patrón para ser utilizado para calibrar otros instrumentos.

E l concepto de ca libración esta relacionado con el concepto de verificación, se entiende este ú lt imo como el chequeo in terno en t re ca libraciones, o las pruebas para comprobar el cor recto funcionamiento de un equipo después de un ajuste o un periodo prolongado de uso.

Cier tos equipos no se pueden ca librar o a justa r la lectura , pero si se puede ver ifica r su cor recta lectura , y se puede emit ir un cer t ificado de ver ificación , es cua l indicará un factor de cor rección a ser aplicado por el operador en el momento de regist ra r una medición . Se recomienda a justa r dicho factor de corrección únicamente para los va lores dent ro del á rea de t raba jo del instrumento

E l cer t ificado de ca libración también puede ir acompañado de un certificado de conformidad, este indica que se ha cumplido con normas in ternaciona les y procedimientos estandarizados.

2.2. METROLOGIA

La Metrología es la ciencia y el a r te de medir cor rectamente. Como las mediciones son impor tantes en práct icamente todos los procesos product ivos, su relevancia para la calidad es de suma importancia.

Medir "bien" no es sólo medir con cuidado, o u t ilizando el procedimiento y los inst rumentos adecuados. Además de lo anter ior , se t ra ta de que las un idades de medida sean equivalen tes y sean igua les en cua lquier par te del mundo y bajo las mismas circunstancias.

Esto se asegura cuando cada país t iene una infraest ructura met rológica , compat ible y ligada con las infraest ructuras met rológicas de ot ros pa íses, consisten te en la disponibilidad de labora tor ios donde se pueda ca libra r los instrumentos de medición.

La compat ibilidad en t re pa íses se asegura median te in ter -comparaciones per iódicas, en las cuales un determinado pa t rón de medida es medido sucesivamente por los diferentes laboratorios.


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2.3. PATRONES Y TRAZABILIDAD

Para ca librar un inst rumento o pa t rón es necesar io disponer de uno de mayor precisión que proporcione el va lor convencionalmente verdadero que es el que se empleará para comparar lo con la indicación del inst rumento somet ido a ca libración . Esto se rea liza median te una cadena in inter rumpida y documentada de comparaciones hasta llegar a l pa t rón , y que const ituye lo que llamamos trazabilidad.

La trazabilidad puede estar dada por una curva o por un cuadro comparativo.

2.4. CALIBRACION DE INSTRUMENTOS Y PATRONES

El envejecimiento de los componentes, los cambios de tempera tura y el est rés mecánico que sopor tan los equipos deter iora poco a poco sus funciones. La cor recta ca libración de los equipos proporciona la segur idad de que los productos o servicios que se ofrecen reúnen las especificaciones requeridas.

Los inst rumentos, sobre todo aquellos que sirven para la medición de var iables son ca librados median te pa t rones cer t ificados. A su vez los pa t rones también son ca librados median te pa t rones cer t ificados pero mucho más precisos.

E l tener un inst rumento ca librado no sign ifica que este funciona "bien". Significa solamente que la diferencia en t re lo que el inst rumento indica y "lo que debiera indicar" es conocida.

Es posible t raba ja r con un pa t rón an t iguo que presente un er ror grande, siempre que el cer t ificado de ca libración lo apruebe y aplicando el factor de cor rección adecuado. Por ot ro lado si se cuenta con un pa t rón nuevo pero que no t iene su cor respondien te cer t ificado de ca libración , este no será confiable puesto que no hay una institución que garantice su correcta indicación.

Los cer t ificados que t ípicamente vienen con los equipos nuevos son en genera l de muy poco va lor como aseguramiento de las ca racter íst icas met rológicas del inst rumento. Es siempre recomendable ca libra r los equipos de impor tancia para la ca lidad de la producción , aun sí estos son nuevos.

Una buena calibración debe buscar los siguientes objetivos: - Mantener y verificar el buen funcionamiento de los equipos - Responder a los requisitos establecidos en las normas de calidad - Garantizar la fiabilidad y trazabilidad de las medidas.


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3. DEFINICIONES GENERALES

ACCESIBLE: Este término se aplica a un disposit ivo o función que puede ser usado o visto por un operador con el propósito de supervisa r el desempeño de las acciones de cont rol (como por ejemplo cambios en el set -poin t , seteo automático / manual, encendido / apagado, etc.)

AGENTE DE CONTROL: Material o energía del proceso que afecta el valor de la var iable cont rolada y su can t idad es regulada por el elemento fina l de control.

ALARMA: Es un disposit ivo o función que detecta la presencia de una condición anormal, y la manifiesta median te una señal audible y/o luminosa , con el fin de atraer la atención.

ASIGNABLE: Este término se aplica a una caracter íst ica que permite el cambio (o dirección) de una seña l de un disposit ivo a ot ro sin la necesidad de la activación de un switch o algún otro elemento.

AUTORREGULACIÓN: Caracter íst ica inheren te del proceso la cua l lleva a una condición de equilibrio sin la intervención de un control automático.

BANDA PROPORCIONAL: La gama de va lores a t ravés de los cuales la var iable controlada debe cambiar para causar que el elemento fina l de control se mueva de un extremo a otro.

BINARIO / DIGITAL: Término aplicado a una señal o disposit ivo que t iene solo dos posiciones o estados discretos (0/1, on /off, apagado/encendido, bajo/alto).

BOARD: Término en inglés el cua l se in terpreta como sinónimo de panel .

BURBUJ A: Símbolo circu la r usado para denotar e iden t ifica r el propósito de un inst rumento o función . Puede contener una et iqueta con un número. También es llamado balón .

CIRCUITO DE CONTROL: Es un sistema dent ro del cua l un cier to va lor en magnitud debe ser manten ido dent ro de límites, preestablecidos. Un circuito de control (LOOP) puede ser manual o automático.

CONFIGURABLE: Término aplicado a un disposit ivo o sistema cuyas características funcionales pueden ser seleccionadas a voluntad del usuario.

CONTROLADOR: Disposit ivo encargado de regula r una var iable o señal de manera especificada por el proceso, puede ser au tomát icamente o manualmente.


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CONVERTIDOR: Es aquel dispositivo que recibe una señal de un instrumento de determinada manera y la ret ransmite de una manera diferen te. También conocido como transductor.

DETRÁS DEL PANEL: Este término se refiere a la posición de un inst rumento, el cua l ha sido montado en un panel de cont rol, pero no es normalmente accesible al operador.

DISPOSITIVO COMPUTABLE: Disposit ivo o función que emplea uno o más cá lculos u operaciones lógicas, t ransmit iendo uno o más resu ltados a las señales de salida.

EFECTO PELTIER: Cuando una cor r iente eléct r ica es pasada por a t ravés de dos meta les diferen tes, en un sen t ido el ca lor es absorbido y la un ión enfr iada y en el sen t ido opuesto el ca lor es liberado este efecto es reversible, es decir , si la unión se calienta o enfría se genera una fem. en uno u otro sentido.

EFECTO THOMPSON: En un meta l homogéneo se absorbe ca lor cuando una corriente eléctrica fluye en un sentido y se libera calor cuando fluye en sentido cont ra r io. Este efecto es reversible de modo que se genera una fem. en uno u otro sentido si hay un gradiente de temperatura en un metal homogéneo.

ELEMENTO FINAL DE CONTROL: Disposit ivo que cont rola directamente los valores de la variable manipulada en un lazo de control.

ELEMENTO PRIMARIO: Es un disposit ivo encargado de recoger seña les de campo, conocido como sensor.

ESTACIÓN DE CONTROL: Ambiente físico en donde se encuent ran los controladores y desde donde se supervisa el funcionamiento de estos.

ESTACIÓN MANUAL-AUTO: Término empleado como sinónimo de estación de control.

FLUIDO DE MEDICIÓN: Un flu ido o energía que lleva la señal producida en el elemento pr imar io o un receptor , que puede ser un indicador , un registrador, un transmisor, etc.

FUNCIÓN: Propósito o lógica que debe cumplir un dispositivo de control

IDENTIFICACIÓN: Secuencia de let ras y/o dígitos, usados para señala r un instrumento en particular o un lazo.

INSTRUMENTACIÓN: Colección de inst rumentos o sus aplicaciones con el fin de observar mediciones, control, o cualquier combinación de estos.


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LAZO: Combinación de uno o más inst rumentos o funciones de cont rol que señalan el paso de uno a ot ro con el propósito de medir y/o cont rola r las variables de un proceso.

LOCAL: Es la loca lización de un inst rumento que no esta n i den t ro n i sobre un panel o consola, ni esta en un cuarto de control.

LUZ PILOTO: Es una luz que indica las condiciones normales de un sistema o dispositivo.

MEDIDA: Determinación de la existencia o magnitud de una variable

MONITOR: Término genera l para un inst rumento o sistema de inst rumentos usados para la medición o conocer la magnitud de una o más var iables con el propósito de emplear la in formación en determinado momento. Algunas veces significa analizador, indicador, alarma.

MONTADO EN PANEL: Término aplicado a un inst rumento que esta montado sobre un panel o consola y es accesible para un operador en uso normal.

PANEL: Est ructura que t iene un grupo de inst rumentos montados sobre ella . El panel puede consistir de una o varias secciones, cubículos, consolas.

PANEL LOCAL: Que no esta en un panel cen t ra l, los paneles loca les están comúnmente en el ámbito de subsistemas de plantas o sub-áreas.

PLC (Controlador Lógico Programable): Es un t ipo de cont rolador , el cual es programable, y usualmente usado para control secuencial.

POSICIONES: Acción del controlador en el cual el elemento final de control es movido de una de las posiciones fijas a la ot ra a va lores determinadas de la variable controlada.

PROCESO: Es cua lquier operación o secuencia de operaciones que involucren un cambio de energía , composición , dimensión , u ot ras propiedades que pueden referirse a un dato.

PROGRAMA: Secuencia respetable de acciones que definen el n ivel de las sa lidas siguiendo un pa t rón basado en la relación en t rada-sa lida , basado en los requerimientos del sistema.

PUNTO DE AJ USTE: Es el va lor de la var iable cont rolada que se desea mantener y es ajustado mecánicamente o por otro medio.


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PUNTO DE PRUEBA: Proceso de una conexión el cua l no esta permanentemente conectado, su conexión es solamente temporal o intermitente a un instrumento.

RELAY: Disposit ivo cuya función es pasar in formación sin a ltera r la o solo modifica r la en determinada forma. Es usado para refer ir se a equipos de cómputo.

SENSOR: Disposit ivo que capta o detecta el va lor de una var iable del proceso, y emite una salida correspondiente al valor leído.

SEÑAL DE CONTROL: También llamada sa lida del cont rolador , es una magnitud en presión , cor r iente o volta je, obtenida como resu ltado de una operación en el controlador.

SET-POINT: Punto de referencia que se desea logra r por par te de la var iable que se esta controlando.

SWITCH: Disposit ivo que conecta , desconecta , selecciona , o t ransfiere uno o más circuitos de un punto a otro.

TRANSDUCTOR: Disposit ivo que recibe información en forma de seña l física , transformándola o convirtiéndola en una señal eléctrica.

TRANSMISOR: Disposit ivo que recibe la señal del sensor y la t ransmite hacia una unidad remota.

VÁLVULA DE CONTROL: Es una válvula accionada manual o au tomát icamente encargada de ejecuta r la t a rea reguladora ordenada por el controlador.

VARIABLE CONTROLADA: Es una var iable de proceso que es medida y/o controlada por un sistema de control.

VARIABLE MANIPULADA: Es aquella que recibe la acción de cont rol, y cuya var iación permite mantener en el va lor deseado a la var iable que se desea cont rola r . Var iable del agente de cont rol que se opera por el elemento fina l de control y directamente cambia la energía del proceso.

VARIABLES DE PROCESO: Cualquier propiedad que pueda var ia r durante el proceso, y que intervienen directamente en el desempeño del mismo.


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4. INSTRUMENTOS INDUSTRIALES

Los inst rumentos indust r ia les son todos aquellos disposit ivos eléct r icos, mecánicos, elect rónicos, neumát icos, h idráu licos que son u t ilizados en un ambiente indust r ia l como par te de un proceso product ivo, cuyo uso permite el desarrollo de las acciones de control.

Los instrumentos industriales pueden realizar las siguientes funciones:

Sensar o captar una variable

Acondicionar una variable dada

Transmitir una variable

Controlar una variable

Indicar la magnitud de una variable

Totalizar una variable

Registrar una variable

Convertir una variable

Manifesta r una a la rma con respecto a la magnitud de una variable

Interrumpir o permitir una secuencia dada

Transmitir una señal

Amplificar una señal

Manipular una variable del proceso, etc.

4.1. CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS INDUSTRIALES

Los instrumentos industriales se pueden clasificar de la siguiente manera:

Por su aplicación:

Neumáticos Hidráulicos Eléctricos Electrónicos Electromecánicos Mixtos Transductores Amplificadores Indicadores Analizadores Estación de operador Estación de control Estación de transferencia Relevador de cálculo.


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Por su localización:

Instalados en campo Instalados localmente Instalados en tablero principal Instalados remotamente.

Por su tecnología:

Sistemas discretos Sistemas de control digital directo Sistemas de supervisión Sistemas de control supervisorio Sistemas de control supervisorio y adquisición de datos Sistemas de control distribuido Sistemas de control avanzado Sistemas de control adaptables Sistemas expertos.

4.2. LAZOS DE CONTROL

Un lazo de cont rol cer rado esta conformado por un elemento pr imar io de medición (sensor ), un elemento fina l de cont rol (actuador), el cont rolador , y el proceso que se desea controlar.

Los inst rumentos indust r ia les como los sensores y actuadores se dictaminan de acuerdo a la variable del proceso que se esta controlando.

Elemento Primario de Medición

El elemento pr imar io de medición o sensor , es aquel que detecta el va lor de sa lida ósea es la porción de los medios de medición que pr imero u t iliza o t ransforma la energía del medio controlado. Pueden ser elementos eléct r icos, mecánicos, electrónicos, o una combinación de varios

Los sensores pueden ser ún icamente indicadores si no t rasmiten ninguna señal hacia otro dispositivo.

E l t ipo de sensor depende de la var iable del proceso. Ent re los elementos pr imar ios de medición más comunes para los procesos de n ivel, t empera tura , presión, y flujo son:


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Nivel

De boya Capacitivo Inductivo Diferenciales de presión Para sólidos Para líquidos

Temperatura

Termómetros bimétalicos Termómetros de vástago de vidrio Pirómetros de radiación ópticos Pirómetros de radiación infrarrojos Indicadores pirometricos Termómetros de cristal de cuarzo Sistemas termales Termopares Resistencias eléctricas

Presión

Tubo Bourdon Columnas Diferenciales Diafragmas Fuelles Cápsulas Campanas

Flujo

Tubo pifot Magnético Turbina Bomba dosificadora Tubo venturi Derramadores Tubo de Dali Tubo de Gentile Rotámetro Annubar Placa de orificio Tarjet Remolino Vortex

Elemento Final de Control

El elemento fina l de cont rol o actuador , es aquel que recibe una seña l (eléct r ica , mecánica , neumát ica , etc.) del disposit ivo cont rolador , lo in terpreta y ejerce una ta rea que t iene por objet ivo eliminar el er ror y cumplir con las tareas de control propias del proceso que se lleve a cabo.


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Los actuadores más comunes son:

Válvulas

Pistones

Motores

Relés

Contactores

Bobinas

Controlador

El controlador es un instrumento utilizado para corregir los desvíos existentes en t re el va lor medido por un sensor y el va lor deseado o set poin t , programado por un operador ; emit iendo una seña l de cor rección hacia el actuador.

Los controladores pueden ser del tipo: manual, neumático ó digitales; así como las computadoras con ta r jetas de adquisición de da tos y los PLC (Controladores Lógicos Programables).

Proceso

El término proceso, para los fines de cont rol sign ifica el equipo a au tomat izar en donde se estabiliza la var iable de cont rol, a t ravés de los sensores, actuadores y controladores.

4.3. ACCIONES DE CONTROL

Las acciones con las que responde un controlador pueden ser de dos tipos:

Directa

La acción directa considera un que si la variable aumenta, la salida aumenta. Por ejemplo: Se t iene un tanque de agua cuyo n ivel se desea mantener en la mitad (t iene una ent rada de agua constan te), pa ra ello se abre o se cier ra una vá lvula de sa lida de agua , la acción directa sugiere que a medida que el n ivel de agua aumenta , la vá lvula de sa lida debe aumentar el cauda l del agua , por tanto abrirse.

Inversa

La acción inversa considera que si la variable aumenta la salida disminuye.


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Por ejemplo: Se t iene un tanque de agua cuyo n ivel se desea mantener en la mitad (t iene una sa lida de agua constan te), pa ra ello se abre o se cier ra una vá lvula de en t rada de agua , la acción inversa sugiere que a medida que el n ivel de agua aumenta , la vá lvula de en t rada debe disminuir el cauda l del agua, por tanto cerrarse

No todos los sistemas cuentan con elementos para medir todas las var iables que intervienen en el proceso, así tenemos:

Sistemas Abiertos

Son aquellos que no verifican o rectifican la salida del proceso, esto se refiere a que en estos t ipos de sistemas únicamente van a cont rola r las diferen tes variables antes del proceso o durante si. Por ejemplo el proceso de transporte de cajas de un punto a otro mediante una fa ja t ranspor tadora , se cont rola que ingresen ca jas a la fa ja con una separación en t re ellas predeterminada , y se asume que dicho elemento sa ldrá por el otro extremo del conductor.

Sistemas Cerrados

Son aquellos sistemas en donde el apara to de cont rol ver ifica la sa lida del proceso. Para este tipo de sistemas se tiene más control sobre el proceso. Por ejemplo el proceso de ca len tamiento de una sustancia dent ro de un evaporador , se ver ifica la t empera tura con la que en t ra y con la que sa le la sustancia.

Los sistemas cerrados se clasifican en 2 tipos:

Sistemas Cerrados de Prea limentación .- Son aquellos sistemas donde el elemento pr imar io de medición se encuent ra insta lado an tes de en t ra r a l proceso y el medio que estamos controlando.

Sistemas Cerrados de Ret roa limentación .- Son aquellos sistemas en donde el elemento pr imar io de medición , se encuent ra en la sa lida del proceso y el medio que se esta controlando.

5. ERRORES DE MEDICIÓN

El error de medición es la inexact itud producida a l comparar una magnitud con su pa t rón de medida . Es la diferencia a lgebra ica en t re el va lor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de variable medida.

El error generalmente tiene sus causas debido a los siguientes motivos:


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1. Propios del sistema: E l sistema presenta ru ido y/o ot ros factores in ternos que alteran las medidas del sensor o las acciones del elemento de control.

2. Por pa t rones fa lsos: Se presenta cuando se ha ca librado los sensores con patrones alterados y por tanto estos informan una lectura equivocada.

3. Ruidos Exteriores: Se deben a perturbaciones del medio ambiente (ondas de radio, efectos elect romagnét icos). Todos los cables de inst rumentación son blindados y torcidos para reducir la influencia externa a l mín imo en las ca jas de conexión así como problemas de mala conexión a tierra.

4. Tiempo de Respuesta : La mayor ía de los inst rumentos de medición están ca librados para que t raba jen como sistemas de 2° orden cr it ico (sistema elect romecánico), la constan te de t iempo del sistema, la mayor ía de las variables físicas se calibran para tiempo critico pero aun así tienen atraso.

5.1. TIPOS DE ERROR

Error Angular o de Linealidad Aparece en el cen t ro de la gama cuando las lecturas son cier tas a l pr incipio y al final de la escala.

Error Dinámico Diferencia en t re el va lor instan táneo de la var iable y el va lor leído por el instrumento y es afectado por las condiciones dinámicas del proceso.

Error Estático Error obten ido cuando el proceso esta en régimen permanente y la var iable medida no cambia su valor.

Error Lineal o de Cero Es constante a lo largo de la escala. Existe un off-set en el instrumento.

Error sistemático. Este er ror se or igina esencia lmente por una deficien te ca libración del instrumento en relación al patrón.

Error de apreciación Se genera en el momento de observar o recoger la medida . Mient ras más pequeña sea la menor división de su escala menor será el error de apreciación.

Error accidental Originado por factores accidentales o aleatorios entre los cuales se encuentran las imprecisiones de manipulación del operador que hace la medición o factores ajenos al instrumento.


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6. PROCEDIMIENTOS DE CALIBRACION

6.1. PROCEDIMIENTOS Y RECOMENDACIONES

Cuando el inst rumento se ca libra cont ra un inst rumento de referencia , su exact itud most ra rá si esta fuera o dent ro de las limites de exact itud, si el inst rumento esta dent ro del limite de medición , el ún ico curso de acción requer ido es regist ra r los resu ltados de ca libración en la hoja de cont rol del inst rumento y poner lo en funcionamiento hasta el sigu iente per iodo de calibración.

Documentación de los sistemas de medición y su calibración

Todos los sistemas de medición y ca libración implementados deben esta r documentados, en el caso de pequeñas compañías toda información relevante debo esta r conten ida dent ro de un manua l, mient ras que para una empresa grande es apropiado tener volúmenes separados cubr iendo procedimientos corporativos y por áreas.

Registro de los Instrumentos

Se debe tener un regist ro separado para cada inst rumento del sistema donde se especifique como mínimo.

- Su número de serie. - El nombre de la persona responsable para su calibración. - La frecuencia de calibración requerida. - La fecha de la última calibración. - Resultados de la calibración.

El contenido mínimo de un Certificado de Calibración debe ser:

- Identificación del equipo calibrado - Identificación de los patrones utilizados y garantía de su trazabilidad - Referencia al procedimiento o instrucción de calibración utilizado - Condiciones ambientales durante la calibración - Resultados de la calibración - Incertidumbre asociada a la medida - Fecha de calibración - Firma (o equivalente) del responsable de la calibración


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Recolección de datos

Cuando se procede a recolecta r da tos referentes a mediciones es necesar io regist ra r factores externos como humedad, t empera tura , a ltu ra sobre el n ivel del mar , ru ido externo, etc., debido a que en la medida de lo posible dichas condiciones ambienta les deben ser reproducidas en el labora tor io de ca libración para que dicho inst rumento se compor te de manera simila r a su entorno de trabajo habitual y cotidiano.

Recomendaciones

- Se recomienda elaborar un procedimiento de ca libración estandar izado para todas las áreas de la empresa , para lo cua l es preferible seguir estándares y normas aprobadas internacionalmente.

- Se recomienda nombrar un encargado genera l para toda la empresa , y este será el responsable de elaborar un cronograma para ca libración de instrumentos y patrones.

- Se recomienda cada cier to t iempo ver ifica r a lea tor iamente a cier tos equipos cr ít icos para comprobar si siguen ca librados, de no ser el caso se debe rea justa r el plazo en t re ca libración y ca libración para dicho instrumento.

- Se recomienda que los cer t ificados de ca libración , cer t ificados de ver ificación y documentos de regist ro de inst rumentos se agrupen junto a los manuales del mismo instrumento.

6.2. NORMAS ISO 17025 y ISO 9001

La ISO (In terna t ional Standards Organiza t ion) es la Organización In ternacional para la Estandar ización. Fue creada en 1946 y está const itu ida por institutos nacionales de estandarización (normalización) de países grandes y pequeños, indust r ia lizados y en desar rollo, de todas les regiones del mundo. La ISO desar rolla volunta r iamente normas y recomendaciones que cont r ibuyen a que el desar rollo, la fabr icación y el suminist ro de productos y servicios sean más eficien tes, seguros y limpios. Este va lor añadido hace que el comercio en t re los pa íses sea más fácil y equita t ivo. Las normas ISO también sirven para sa lvaguardar los derechos de los consumidores y usuarios.

La norma ISO 9001 esta or ien tada más cla ramente a los requisitos del sistema de gest ión de la ca lidad de una organización . Con la fina lidad de promover el aseguramiento de la ca lidad en los labora tor ios dent ro de la Unión Europea (UE) se llegó a l establecimiento de la norma EN 45001 (ISO 17025)


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Características y requerimientos ISO 9001:

- Trazabilidad de las medidas y conocimiento de la incer t idumbre de dicha medida

- Estructura y organización de actividades de laboratorio - Calificación y competencia del persona l Ident ificación del personal

clave - Esquema de aprobación, firmas (y sellado) - Utilización del equipo de medida, prueba y calibración - Informe de resultados

Las aportaciones de ISO 17025 y que la diferencian de ISO 9001 son:

- Requerimientos más prescriptivos - Factores que promuevan independencia en la medida - Designar personal técnico y gerencia competente en temas de calidad - Aspectos de confidencia y protección de propiedad intelectual - Requisitos con mayor a lcance específico para eva luar Ident ifica r y

definir metodología para asegurar consistencia de la calibración - Requisitos de ambiente y plan tel físico en donde se rea lizan la medida

y la calibración - Aspectos de organización , san idad y limpieza en las premisas de

actividades - Requisitos específicos para segregar , mantener , manipula r y

almacenar - Medida y t razabilidad a pa t rones de ca libración reconocidos

(in ternaciona lmente) y extender a medida , pruebas y ensayos según sea apropiado

- Metodología consistente para pruebas, ensayos y calibración - Datos e información relevante a los requer imientos cont ractua les (de

cliente regulatorio y esquema industrial) - Controles estrictos sobre procesos y actividades - Registros de los aspectos previamente indicados


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Capítulo II

SIMBOLOGIA INDUSTRIAL

1. INTRODUCCION A LA SIMBOLOGÍA INDUSTRIAL

Los símbolos son representaciones grá ficas de la rea lidad, con el objet ivo de que dichos símbolos sean conocidos por todo mundo se crean normas y estándares.

Todos los diagramas de cont rol de procesos están compuestos de símbolos, iden t ificaciones y líneas, pa ra la representación grá fica de ideas, conceptos y apara tos involucrados en el proceso; a su vez, descr iben las funciones a desempeñar y las interconexiones entre ellos. Estos símbolos e identificaciones son usados para ayudar a entender el proceso y proporcionar información acerca del mismo.

E l simbolismo es un proceso abst racto en el cual las ca racter íst icas sa lientes de los disposit ivos o funciones son representados de forma simple por figuras geomét r icas como círculos, rombos, t r iángulos y ot ros para escr ibir ca racteres como let ras y números ident ificando la ubicación y el t ipo de inst rumento a ser utilizado.

Es común en la práct ica para los diagramas de flu jo de ingenier ía omit ir los símbolos de in terconexión y los componentes de hardware que son rea lmente necesar ios para un sistema de t raba jo, par t icu la rmente cuando la simbolización eléctrica interconecta sistemas.

Los planos de inst rumentación , ya sean neumát icos, eléct r icos, digita les, etc. están normalizados para una cor recta in terpretación de cada uno de ellos., cada plano representa un proceso individua l, el conjunto de planos representará el sistema industrial.

Los tamaños ópt imos de los símbolos pueden var ia r dependiendo en donde o no es reducido el diagrama y dependiendo el número de ca racteres seleccionados apropiadamente acompañados de ot ros símbolos de ot ros equipos en un diagrama. Un plano puede llevar símbolos propios a jenos a las normas, pero se recomienda una leyenda explica t iva para facilit a r la rápida comprensión del plano por parte de personas externas.


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2. SIMBOLOGIA DE FIGURAS

Un globo o círcu lo simboliza a un inst rumento a islado o inst rumento discreto, para el caso donde el círcu lo esta dent ro de un cuadrado, simboliza un inst rumento que comparte un display o un cont rol. Los hexágonos se usan para designar funciones de computadora . Para terminar el los cont roles lógicos programables PLC's se simbolizan con un rombo dent ro de un cuadrado.

Instrumento Discreto

Display Compartido, Control Compartido

Función de computadora

Control Lógico Programable

Los símbolos también indican la posición en que están montados los inst rumentos. Los símbolos con o sin líneas nos indican esta información . Las líneas son variadas como son: una sola línea, doble línea o líneas punteadas.

Montado en

Tablero Normalmente

accesible al operador

Montado en Campo

Ubicación Auxiliar.

Normalmente accesible al operador.

Instrumento Discreto o Aislado

Display compartido,

Control compartido.

Función de Computadora



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Las líneas punteadas indican que el inst rumento esta mondado en la par te posterior del panel el cual no es accesible al operador.

Instrumento Discreto

Función de Computadora


El Círcu lo se usa para indicar la presencia de un inst rumento y como elemento descr iptor ; como símbolo de un inst rumento representa , el concepto de un dispositivo o función.

Circulo como instrumento

Círculo como identificador

La localización del instrumento en la planta se indica dibujando:

Ninguna línea para instrumentos montados en planta (o campo)

Una línea sólida dividiendo el círcu lo para inst rumentos montados en paneles de salas de control (de fácil acceso para el operador).

Una línea en t recor tada dividiendo el círcu lo para inst rumentos montados det rás de paneles o gabinetes (de fácil acceso para el operador).

PI1

FV2


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Una línea sólida doble dividiendo el círcu lo para inst rumentos montados en paneles auxiliares o secundarios.

Líneas en t recor tadas dobles dividiendo el círculo para inst rumentos montados detrás de paneles secundarios

Instrumento en el campo

Instrumento montado en panel

Instrumento montado detrás del panel

Instrumento montado en panel auxiliar

Instrumento montado detrás de panel auxiliar

PI1

PI

1

FY3

PI

1

FY

4


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3. SIMBOLOGÍA DE LÍNEAS

La simbología de líneas representa la información única y cr it ica de los diagramas de inst rumentación y tuber ías. Las líneas indican la forma en que se in terconectan los diferen tes inst rumentos así como las tuber ías dent ro de un lazo de control.

Las líneas pueden indicar diferentes t ipos de seña les como son neumát icas, eléctricas, ópticas, señales digitales, ondas de radio etc.

Conexión a proceso, enlace mecánico, o alimentación de

instrumentos.

Señal indefinida

ó

USA Internacional Señal Eléctrica

Señal Hidráulica

Señal Neumática

Señal electromagnética o sónica (guiada)

Señal electromagnética o sónica (no guiada)

Señal neumática binaria

ó

Señal eléctrica binaria

Tubo capilar

Enlace de sistema interno (software o enlace de información)

Enlace mecánico


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Se sugieren las siguien tes abrevia turas para representa r el t ipo de alimentación (o bien de purga de fluidos):

AS Alimentación de aire. ES Alimentación eléctrica. GS Alimentación de gas. HS Alimentación hidráulica. NS Alimentación de nitrógeno. SS Alimentación de vapor. WS Alimentación de agua.

4. SÍMBOLOS DE VÁLVULAS Y ACTUADORES

VÁLVULAS

Símbolos para válvulas de control

Compuerta

Ángulo

Mariposa

Obturador rotativo o válvula

de bola

Tres vías

Cuatro vías

Globo

Diafragma

ACTUADORES

Símbolos para actuadores.

Diafragma de válvula, con muelle


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Diafragma con muelle, posicionador y válvula piloto y válvula que presuriza el

diafragma al actuar.

Preferido

Opcional

Motor rotativo

Cilindro sin posicionador u otro piloto

Simple acción Doble acción

Preferido para cualquier cilindro

Actuador manual

Electrohidráulico

Solenoide

Para Válvula de alivio o de seguridad

Acción del actuador en caso de fallo de aire (o de potencia)

Abre en fallo

Cierra en fallo

Abre en fallo a vía A-C


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Abre en fallo a vías A-C

y D-B

Se bloquea en fallo

Posición indeterminada

en fallo

Actuadores representados mediante cuadrados:

Representación de un actuador de selenoide

Representación de un actuador de pistón

Representación de un actuador de pistón de doble

acción

Representación de un actuador electrohidraúlico

s

H

E


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Representación de un

actuador no convencional

Representación de un posicionador para válvula

Indicador de función

5. DIAGRAMAS DE INSTRUMENTACIÓN

EJEMPLO DE REPRESENTACION DE ALGUNOS PROCESOS

X

FY

5


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DIAGRAMA UNIFILAR

Es un diagrama que agrupa la simbología de formas y líneas, que expresa la secuencia que sigue el proceso. Se construye colocando los instrumentos de del sistema en una a lineación ver t ica l. Es común colocar en el propio diagrama las señales de entrada y salida de cada instrumento.

Ejemplo del diagrama unificar para un proceso de control de temperatura:

EJEMPLO DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN

Diagrama de instrumentación de un proceso de control de flujo de agua

En esta plan ta se controla el flu jo de agua , que pasa por una tuber ía , median te una vá lvula proporciona l, un sensor mide el flu jo actua l y un cont rolador PID se encarga de las acciones de cont rol, adiciona lmente se cuenta con un registrador de datos.


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Una bomba proporciona el caudal de agua que pasa primero por un rotámetro que indica el flu jo de agua , luego pasa por el sensor de flu jo, y fina lmente por la válvula proporcional que regula el flujo de agua.

E l cont rolador cier ra el lazo con las seña les del sensor , y da la orden a la válvula

FI Indicador de flujo FE Sensor de flujo FIC Controlador e indicador de flujo FR Registrador de flujo I/P Transductor de corriente a presión


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Diagrama de inst rumentación de un proceso de cont rol de presión dent ro de un tanque:

En ésta planta se cont rola la presión de a ire en el in ter ior de un tanque. E l a ire de a limentación pasa por un rotámet ro, y luego pasa por la vá lvula proporcional neumát ica que regula la presión de a ire de a limentación que ingresa a l tanque. Un sensor de presión indica la presión de a ire en el in ter ior del t anque. E l cont rol es por rea limentación nega t iva , con un lazo PID.

FI Indicador de flujo PE Sensor de presión PIC Controlador e indicador de presión

PR Registrador de presión I/P Transductor de corriente a presión


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Diagrama de inst rumentación de un proceso de cont rol en cascada de un reactor exotérmico:

El control en cascada consta de dos mallas de control retroalimentadas una de los cuales es in ter ior a la ot ra . En una malla in terna se t iene el cont rol de n ivel dent ro del reactor , y en la malla externa se t iene el cont rol de temperatura del reactor.

LT Transmisor de nivel LIC Controlador e indicador de nivel TT Transmisor de temperatura TIC Controlador e indicador de temperatura


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6. SIMBOLISMO DE FUNCIONES

El simbolismo u t ilizado para determinar a lgunos bloques de funciones para cada instrumento se presentan a continuación.

Estos símbolos pueden representa r por ejemplo los a lgor itmos implementados vía software en una computadora , de este modo un inst rumento vir tua l puede representa rse median te funciones matemát icas y ser leído en un plano de instrumentación.

Los cont roladores PID, PLC, Neuronales, etc., por lo genera l t raen estos bloques para ser implementados dentro de sus programas, la u t ilización de estos símbolos ayuda a en tender la lógica de programación seguida por qu ien desarrollo el programa.


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7. IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS

La ident ificación de los símbolos y elementos debe ser a lfa numér ica , los números representan la ubicación y establecen el lazo de ident idad, y la codificación alfabética identifica al instrumento y a las acciones a realizar.

Especificaciones según Instrumental Society of America (ISA) :

LETRA PRIMERA LETRA LETRA SUCESIVA

VARIABLE MEDIDA MODIFICADO

FUNCIONES PASIVAS Ó

LECTURAS DE SALIDA

FUNCIONES DE SALIDA MODIFICADAS

A Análisis

(composición) Alarma,

Emergencia

B Combustión

C Conductividad, Concentración

Regulación (ON

OFF) Control

D Densidad, Peso

Especifico Diferencial

E Voltaje Sensor

F Flujo Fracción

G Dispositivo de

visión

H Mano (acción

manual) Alarma de alta

I Corriente Eléctrica Indicación (indicador)

K Tiempo Razón del cambio de


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tiempo

L Nivel Luz Alarma de baja

M Humedad Intermedio ó

Medio

N Libre a elección Libre a elección

O Orificio,

restricción

P Presión Punto de prueba

ó conexión

Q Cantidad Integrado, Totalizado

R Radiación Registro

S Velocidad, Frecuencia Seguridad Interruptor

T Temperatura Transmisor

U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción

W Peso (fuerza) Pozo

V Vibración o Análisis

Mecánico Válvula

X Libre a elección Eje X Libre a elección Libre a

elección Libre a elección

Y Evento, Estado,

Presencia Eje Y Relé,

Computadora

Z Posición,

Dimensionamiento Eje Z Actuador, Manejador

Algunos ejemplos:

FE Sensor de flujo LR Registrador de nivel TI Indicador de temperatura MC Controlador de humedad EH Alarma de voltaje alto FIC Controlador Indicador de flujo FY Relé de Flujo PY Relé de presión PDI Indicador Presión Diferencial LAH Nivel con Alarma de Alta TIC Controlador Indicador de Temperatura

PDC Controlador Presión Diferencial TV Válvula de Temperatura TT Transmisor de Temperatura


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Algunos ejemplos de símbolos gráficos y letras ISA:


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Capítulo III

SISTEMAS DE CONTROL

AUTOMATICO

1. DEFINICIONES BÁSICAS

CONTROL : Acción ejercida con el fin de poder mantener una variable dentro de un rango de valores predeterminados.

SISTEMA DE CONTROL : Conjunto de equipos y componentes, que van a permitir llevar a cabo las operaciones de control.

OPERACIONES DE CONTROL : Conjunto de acciones que buscan mantener una var iable dent ro de pa t rones de funcionamiento deseados.

CONTROL AUTOMÁTICO : Es el desar rollo

de la acción de cont rol, sin la participación directa de un ser humano (operario).

SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO : Conjunto de elementos (sensor , actuador , cont rolador y proceso) que forman par te de un proceso product ivo indust r ia l y que van a funcionar independientemente de la acción del hombre

AUTOMÁTICO : Es todo aquello que se mueve, regula , y opera , por sí solo, independiente del medio que lo rodea.

AUTOMATIZACIÓN : Consiste de un sistema de cont rol au tomát ico, por el cua l el sistema ver ifica su propio funcionamiento, efectuando mediciones y correcciones sin la interferencia del ser humano.

SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN : Conjunto de equipos, sistemas de in formación , y procedimientos que van a permit ir asegurar un desempeño independien te del proceso, a t ravés de operaciones de control y supervisación.

SUPERVISIÓN Y MONITOREO : Es el proceso de lectura de va lores de las diversas var iables del proceso, con el objet ivo de ident ifica r el estado en el que se viene desarrollando el proceso en un tiempo actual.


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2. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO

El sistema de cont rol va a actuar independien te del opera r io y va a

determinar por sí mismo los mejores va lores para las señales de cont rol. Para ello se contará con una referencia, que es un va lor dado por el opera r io, este valor es fijo y depende del tipo de proceso y de las exigencias que este amerite; es conocido como set -poin t , este va lor es el que se desea a lcanzar y mantener.

CONTROLADOR : Es aquel inst rumento que compara el va lor medido con el va lor deseado, en base a esta comparación ca lcu la un er ror (diferencia en t re va lor medido y deseado), pa ra luego actuar a fin de cor regir este er ror . Tiene por objet ivo elaborar la señal de cont rol que permita que la var iable controlada corresponda a la señal de referencia.

Los cont roladores pueden ser de t ipo manual, neumát ico, elect rón ico; los cont roladores elect rón icos más usados son : computadoras con ta r jetas de adquisición de da tos, PLC (cont roladores lógicos programables), microcontroladores (PIC).

E l t ipo de cont rolador más común es el PLC, el cua l es un equipo elect rónico basado en microprocesadores, hace uso de memorias programables y regrabables (RAM), en donde se a lmacenan inst rucciones a manera de a lgor itmos que van a permit ir seguir una lógica de cont rol. Cont iene in ter faces que le permiten maneja r gran número de en t radas y sa lidas tanto analógicas como digitales.

ACTUADOR : Es aquel equipo que sirve para regula r la var iable de cont rol y ejecu ta r la acción de control, es conocido como elemento fina l de cont rol, estos pueden ser de 3 tipos :

ACTUADOR CONTROLADOR PROCESO

SENSOR

Referencia

Perturbaciones

Variable de

salida


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Actuadores eléct r icos : Son usados para posicionar disposit ivos de movimientos linea les o rotacionales. E j. motor , relé, switch , electroválvulas.

Actuadores neumát icos : Traba jan con señales de presión , estas señales son conver t idas a movimientos mecánicos. E j. pistones neumát icos, válvulas.

Actuadores h idráu licos : Operan igua l a los neumát icos, son usados en ta reas que requieren mayor fuerza por ejemplo levanta r compuer tas, mover grúas, elevadores, etc. Ej. pistones hidráulicos.

PROCESO : Esta refer ido a l equipo que va a ser au tomat izado, por ejemplo puede ser una bomba , tolva , t anque, compresor , molino, in tercambiador de calor, horno, secador, chancadora, caldera, etc.

Características dinámicas de las variables de proceso:

Inercia : Propiedad de los cuerpos que les permite no var ia r su estado estacionar io sin la in tervención de una fuerza ext raña ; por ejemplo a lgunos sistemas de flu jo de flu idos en los cua les la masa puede ser acelerada.

Resistencia y Capacidad : Se denomina resistencia a aquellas par tes con cua lidades de resist ir la t ransferencia de energía o masa , y se denomina capacidad a aquellas par tes del proceso con tendencia a almacenar masa o energía.

Atraso de t ranspor te : Es el movimiento de masas en t re dos puntos que ocasiona un tiempo muerto.

Respuesta de los procesos frente a una perturbación:

Las respuestas están casi siempre caracter izadas por dos constan tes: una constan te de t iempo ( ) y una ganancia está t ica . La ganancia es la amplificación o a tenuación de la per turbación en el in ter ior del proceso y no t iene in ter ferencia con las ca racter íst icas de t iempo de respuesta . La constan te de t iempo es la medida necesar ia para a justa r una per turbación en la en t rada y puede ser expresada como

= (resistencia) x (capacidad).

SENSOR : Es un elemento de medición de parámet ros o var iables del proceso. Los sensores pueden ser usados también como indicadores, pa ra t ransformar la señal medida en señal eléctrica. Los sensores más comunes son los de nivel, t empera tura , presencia , proximidad, flu jo, presión , en t re ot ros. Pueden ser de varios tipos :

Sensores de contacto : Son aquellos que rea lizan la medida en contacto directo, real y físico con el producto o materia. Ej. sensores de boya para medir nivel en un tanque, termocupla para medir temperatura, etc.

Sensores de no contacto : Se basan en propiedades físicas de los mater ia les, son más exactos, pero propensos a in ter ferencias del medio ambiente. Ej. sensores ultrasónicos, sensores ópticos, etc.


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Sensores digita les : Traba jan con seña les digita les, en código binar io, pueden representa r la codificación de una seña l ana lógica , o también la representación de dos estados on/off. Ej. sensores tipo switch.

Sensores ana lógicos : Proporcionan medidas cont inuas, los rangos t ípicos son de 0 a 20mA, 4 a 20mA, 0 a 5v, 1 a 5v, en t re ot ros. E j. sensores capacitivos, sensores piezoresistivos, etc.

Sensores mecánicos : Son aquellos que t raducen la acción física del elemento medido, en un compor tamiento mecánico, t ípicamente de movimiento y/o calor. Ej. barómetro, termómetro de mercurio, etc.

Sensores elect ro-mecánicos : Este t ipo de sensor emplea un elemento mecánico elást ico combinado con un t ransductor eléct r ico. E j. sensores resistivos, sensores magnéticos, etc.

3. CARACTERÍSTICAS DEL CONTROL

3.1. MODELAMIENTO MATEMATICO

Existe formas y métodos a t ravés de los cuales los sistemas de cont rol pueden ser representados por medio de funciones matemát icas, esta representación recibe el nombre de Modelamiento Matemático, este modelo descr ibirá las ca racter íst icas dinámicas del sistema a t ravés de ecuaciones diferenciales. El modelamiento puede ser:

Analít ico : Cuando se aplica las leyes físicas cor respondien tes a cada componente del sistema, que en conjunto forman una est ructura o función matemática.

Exper imenta l : Consiste en la iden t ificación de los parámet ros, median te el aná lisis de da tos de en t rada y sa lida , est imando va lores posibles que se ajusten al sistema

A par t ir del modelamiento matemát ico, aplicando formulas matemát icas, t eoremas, y t ransformadas, se puede llegar a una función que represente la relación en t re la sa lida y ent rada del sistema, esta función se denomina Función de Transferencia.

E l proceso exper imenta l es denominado Ident ificación de Sistemas , y cor responde a la plan ta o proceso que se desea ana liza r , consiste en recoger da tos de la var iable de sa lida con su cor respondien te da to de en t rada que provocó dicha sa lida , para luego median te a lgor itmos matemát icos aproximar una función de t ransferencia , la cua l debe genera l una sa lida (est imada) similar a la salida sensada, y dependiendo de la diferencia entre ambas (error) se dará va lidez a la función obtenida , o se tendrá que reca lcu la r con nuevos valores en los algoritmos matemáticos de análisis.


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3.2. ANALISIS DE UN SISTEMA

El análisis de un sistema que se desea cont rola r , significa analiza r su

compor tamiento dinámico en el t iempo, par t iendo de sus ca racter íst icas matemát icas se puede llegar a conclusiones respecto a l funcionamiento del sistema, t anto a islado como dent ro de un lazo cer rado, a fectado por ru ido y gobernado por un controlador.

Para analiza r un sistema de control es necesar io conocer sus sigu ientes características:

ESTABILIDAD: Se dice que un sistema es estable cuando después de t ranscur r ido un t iempo t , su va lor de respuesta (sa lida) permanece constante. A este t iempo se le denomina t iempo de establecimiento (t ime set t ing) , y a l va lor a lcanzado se le denomina va lor en estado estable (steady sta te va lue) .

EXACTITUD: La exact itud del sistema se mide en base a la desviación existen te en t re el va lor deseado (referencia) y el va lor rea l obtenido en la respuesta del sistema (va lor en estado estable), a esta diferencia se le denomina er ror en estado estable .

VELOCIDAD DE RESPUESTA: Esta ca racter íst ica indica que tan rápidamente es capaz de llegar el sistema, a su va lor en estado estable o estacionario.

SENSIBILIDAD: Este concepto explica la dependencia de unas var iables con respecto a ot ras, puesto que en un sistema habrá a lgunas var iables manipuladas, ot ras cont roladas, y ot ras per turbadoras, es inevitable que la acción de una repercu ta sobre las ot ras, por ello la necesidad de conocer e iden t ifica r cada var iable a fin de conocer su na tura leza an tes mencionada.

ALCANZABILIDAD: Cuando un sistema cuenta con esta caracter íst ica , en tonces median te un cont rolador se puede llevar este sistema desde un estado inicial hasta otro estado cualquiera, en un tiempo finito

CONTROLABILIDAD: Un sistema es cont rolable cuando es posible llevar a l sistema a una posición de equilibr io, a l aplica r le una en t rada y transcurrido un período de tiempo finito.

OBSERVABILIDAD: Se dice que un sistema es de rango completo observable, si median te la observación de la sa lida y es posible determinar cualquier estado x(t), en un tiempo finito.


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3.3. CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS

Las caracter íst icas dinámicas de una plan ta están dadas por el

compor tamiento que esta presen ta an te una en t rada (esca lón , senoidal, rampa , onda cuadrada , seudo a lea tor io, etc.). Cuando las en t radas no son fijas sino que var ían en el t iempo, en tonces también la respuesta del sistema tendrá que variar en el tiempo.

Existen diversas técn icas para ana liza r y ca racter iza r el compor tamiento dinámico de una plan ta , los métodos más conocidos son los siguientes:

Ecuaciones diferenciales

Análisis de respuesta en frecuencia

Caracterización frente a entradas típicas

Variables de estado

Ubicación geométrica de polos y ceros

Muchos sistemas presentan un retardo o t iempo muer to, defin ido como el lapso de t iempo en que el sistema siendo somet ido a una en t rada , no ofrece n inguna sa lida . Por tan to se considera que a cier tos sistemas les toma cierto tiempo responder a los estímulos.

Los reta rdos son propios de procesos lentos como: procesos de t ranspor te, de tempera tura , etc., y t ambién se presenta en sistemas controlados a distancia.

4. METODOS DE CONTROL

4.1. MÉTODOS DE CONTROL CLÁSICO

Los métodos de cont rol clásico son aquellos que esperan a que se produzca un er ror para luego rea lizar una acción cor rect iva . Los métodos de control clásico pueden ser:

CONTROL ON-OFF: Este método solo acepta dos posiciones para el actuador : encendido (100%) y apagado (0%). La lógica de funcionamiento es tener un punto de referencia , si la var iable es mayor el actuador asume una posición , y si la var iable es menor el actuador asume la otra posición.

CONTROLADOR PROPORCIONAL (P) : Es un cont rol que se basa en la ganancia aplicada a l sistema, se basa en el pr incipio de que la respuesta del cont rolador deber ser proporcional a la magnitud del error. No corrige ni elimina perturbaciones, puede atenuar o aumentar


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la señal de er ror . Se representa a t ravés del parámet ro Kp y define la fuerza o potencia con que el controlador reacciona frente a un error.

CONTROLADOR INTEGRAL (I) : Conocido cono RESET. Este t ipo de cont rolador anula er rores y cor r ige per turbaciones, median te la búsqueda de la seña l de referencia , necesita de un t iempo Ti para loca liza r dicha señal. Se representa median te el t érmino Ki que es el coeficiente de acción integral y es igual a 1/Ti

CONTROLADOR DERIVATIVO (D) : Conocido como RATE. Este cont rolador por sí solo no es u t ilizado, necesita esta r jun to a l proporciona l y a l in tegra l. Sirve para dar le rapidez o aceleración a la acción de cont rol. Necesita de una diferencia l de t iempo Td para a lcanzar la señal de referencia , se representa median te el término Kd que es el coeficiente de acción derivativa y es igual a 1/Td.

CONTROLADOR PROPORCIONAL-INTEGRAL (PI) : Actúa en forma rápida , t iene una ganancia y cor r ige el er ror , no exper imenta un offset en estado estacionario.

Función de Transferencia : sTi

Kp1

CONTROLADOR PROPORCIONAL-DERIVATIVO (PD) : Es estable, y reduce los retardos, es decir es más rápido.

Función de Transferencia : sTdKp

CONTROLADOR PROPORCIONAL

INTEGRAL

DERIVATIVO (PID) : Este cont rolador es el más completo y complejo, t iene una respuesta más rápida y estable siempre que este bien sin tonizado. Resumiendo se puede decir que:

El control proporcional actúa sobre el tamaño del error.

El control integral rige el tiempo para corregir el error

El control derivativo le brinda la rapidez a la actuación.

Función de Transferencia : sTdsTi

Kp1

4.2. MÉTODOS DE CONTROL MODERNO

Los métodos de cont rol moderno br indan nuevas técn icas que permiten ya sea compensar el error y/o eliminarlo, los más comunes son las siguientes:


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CONTROL ANTICIPATORIO (Feedforward) : Este método permite a l controlador ana liza r los da tos de en t rada y de sa lida y median te a lgor itmos matemát icos ca lcula rá la próxima sa lida probable, de modo ta l que au to a justa sus parámet ros con la fina lidad de adecuarse a l cambio, y min imizar la diferencia de medidas. Se recomienda para procesos len tos. Su desventa ja radica en que es necesar io medir todas las var iables per turbadoras, ya que no cor r ige las per turbaciones no medidas. Se puede mejora r este método agregando una ret roa limentación a la sa lida , de modo ta l que se deje que se produzca un er ror mín imo, el cual será detectado y cor regido en la sigu ien te medición.

COMPENSADORES ADELANTO

ATRASO: Este método permite rea liza r un cont rol en el dominio de la frecuencia , en el cua l se busca compensar la fase del sistema, agregando (adelan to) o qu itando (a t raso) fase, para lo cua l se agrega nuevos componentes o nuevas funciones matemát icas a l sistema. Se puede poner cuantos compensadores sea necesar io a fin de llevar la respuesta del sistema a un valor deseado.

Compensador en Adelanto: Compensador en Atraso:

sT

sTGadelanto 1

1

sT

sTGadelanto 1

1*

1

Donde: condiciona la fase máxima, Seno (fase) = ( 1)/( +1) T indica la frecuencia de trabajo, Frec. central = 1/(T* 1/2)

REALIMENTACIÓN DE ESTADOS : Este método permite ejercer una acción de cont rol mediante el sensado de cada uno de los estados (del modelo en espacio estado del sistema), a t r ibuyéndole una ganancia a cada uno de los va lores leídos, de este modo el lazo de cont rol es cer rado por medio del compensador o cont rolador de estados y no por el sensor . La Ley de control esta dada por la expresión XKu , donde: u es la seña l de cont rol, K es el vector de ganancia de estados, y X es el vector de estados medidos del sistema.

E l vector K puede ha lla rse fácilmente usando Mat lab, con el comando acker y también con el comando place.

SISTEMAS DE SEGUIMIENTO : Este método también es conocido como t racking, es un complemento del método an ter ior , puesto que median te el cont rol por rea limentación de estados se puede llevar la var iable controlada a un va lor de cero (porque no se cuenta con una


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referencia ), con este método se podrá llevar a la var iable dada a un va lor deseado, puesto que se incorpora una referencia en el sistema.

La seña l de cont rol esta rá dada por : refKXKu i * . Donde

Ki es la ganancia cor respondien te a l estado o estados que se qu iere seguir , y ref es la referencia o set poin t que se desea a lcanzar .

FEEDBACK LINEALIZATION: Debido a que los procesos rea les no cuentan con modelos linea les que los representan , es necesar io el uso de cont roladores no linea les. Este método es conocido como control con modelo de referencia , u t iliza la Teor ía de Lyapunov para determinar la estabilidad del sistema, y el modelo matemát ico esta dado en la forma espacio estado.

4.3. MÉTODOS DE CONTROL AVANZADO

Los métodos de cont rol avanzado son aquellos que actúan en forma prevent iva , de modo ta l que en base a los da tos tomados, actúan de modo ta l que previenen la ocur rencia de er ror , por tan to el cont rolador está a justando sus parámetros constantemente.

CONTROL ADAPTATIVO : Es una var iante del cont rol an t icipa tor io, en donde la respuesta del cont rolador var ía au tomát icamente basado en los cambios de las condiciones dent ro del proceso, es decir , la respuesta del cont rolador será var iable dependiendo del compor tamiento actua l del proceso. Para que se lleve a cabo esta adaptación se requiere de a lgor itmos matemát icos que simulen el proceso en base a los da tos tomados en el instan te mismo en que se rea liza la acción , este resu ltado va a genera r una señal compensadora que garantizará la confiabilidad del sistema.

CONTROL OPTIMAL: El cont rol opt imal busca la performance en la acción de control, tiene por objetivo buscar una o varias soluciones que cumplan con ciertas restricciones impuestas por el problema y que a la vez cumpla con una función objet ivo (función de costo), la cua l puede ser maximizar o minimizar dicha función . El control permite diversas soluciones para un mismo problema, pero el cont rol opt imal busca dent ro de esas soluciones la más adecuada para cumplir con los requisitos planteados.

CONTROL ROBUSTO : E l cont rol robusto es aquel que va a permit ir mantener la acción de cont rol pese a per turbaciones externas e in ternas. Puede exist ir per turbaciones externas como ru ido y vibraciones propias del proceso; o per turbaciones in ternas como un mal modelamiento matemát ico, sistemas no linea les difíciles de


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linealiza r , incer t idumbre en el accionar o respuesta de la plana frente a est ímulos, en t re ot ros. E l cont rol robusto se resume a ident ifica r y cont rola r la incer t idumbre en los parámet ros y en el comportamiento de una planta.

CONTROL EN TIEMPO REAL : Se refiere a l control rea lizado en un in tervalo de t iempo fin ito y constan te, es decir que la información será sensada con muest ras in termitentes pero todas las veces con un mismo tiempo de muestreo. Características:

Pueden realizar varias actividades en paralelo

Pueden ejecutar tareas en respuesta a señales externas

Deben funcionar en presencia de fa llos o aver ías parciales, haciendo uso de elementos redundantes.

Adquieren da tos del exter ior . Puede ser pasiva cuando u t ilizan in ter rupciones, o act iva median te el uso de ta r jetas de entrada / salida de señales.

Necesitan de un sistema opera t ivo que les br inde: gest ión eficien te de in ter rupciones, plan ificación de ta reas y pr ior ización de las mismas, acceso a puer tos e in terfaces, mecanismos de medición del t iempo, en t re ot ros. El sistema operativo más empleado es el Linux.

CONTROL DIFUSO : Se basa en la lógica difusa , la cua l a diferencia de la lógica binar ia o booleana (verdadero / fa lso ó 1 / 0), a signa va lores in termedios dentro de esta esca la . Ut iliza la exper iencia del operador para generar una lógica de razonamiento para el controlador. No requiere del modelamiento matemát ico de la plan ta , puede representar modelos de sistemas lineales y no lineales mediante el uso de var iables lingüíst icas y una ser ie de condiciones o reglas previamente defin idas. Sus a lgor itmos (reglas) hacen uso de inst rucciones IF THEN.

CONTROL NEURONAL : Hace uso de neuronas de in teligencia a r t ificia l. La neurona a r t ificia l estándar es un elemento de procesamiento que ca lcu la una sa lida mult iplicando su vector de en t radas por un vector de pesos y este resultado es aplicado a una función de act ivación; un conjunto de neuronas conforman una red neuronal. Se ca racter izan por su capacidad de aprendiza je, su velocidad mediante el procesamiento masivo en paralelo de datos y por la facilidad de modelado de sistemas y cont roladores no linea les. Se aplican para la representación de compor tamientos de funciones linea les y no linea les, iden t ificación de sistemas, reconocimiento de formas, reconstrucción de datos, simulación de modelos, etc.


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ALGORITMOS GENÉTICOS: Este método simula la evolución na tura l de las especies de Darwin. La información va sufr iendo cambios igua l que lo har ían las especies, lo cual se lleva a cabo por medio de los procesos de selección na tura l, mezcla , y mutación . En cada ciclo (iteración) una parte del conjunto de hipótesis conocido como población actua l , es reemplazado por una nueva población median te

las funciones evolut ivas an ter iores. Así sucesivamente en cada ciclo la población es evaluada en base a una función evolu t iva , siendo conservados los da tos más exactos, y siendo eliminados los da tos que presentan er ror (selección na tura l). Para conservar el número de individuos (da tos) estos son mezclados, lo cua l genera nuevos individuos simila res a sus procreadores. F ina lmente cada cier to t iempo o dada cier ta can t idad de individuos, a lgunos de los nuevos individuos son mutados a lea tor iamente, pudiendo ser conservados o eliminados en la próxima iteración dependiendo de su utilidad.

SISTEMAS EXPERTOS: Estos sistemas t ra tan de emular la exper iencia adquir ida por uno o más seres humanos a lo la rgo del t iempo para rea liza r un t raba jo. Este sistema tendrá en su memor ia una base de da tos con múlt iples soluciones a un mismo problema, luego el sistema tendrá que escoger de ent re esas soluciones a la que pueda aplicarse a fin de logra r los mejores resu ltados. El sistema se crea basándose en las exper iencias humanas, la elección de la est ructura de cont rol dependerá de las ca racter íst icas del t raba jo en donde se aplica rá , además el sistema podrá ir aprendiendo con el t iempo y a lmacenar sus propias exper iencias, existe mucha ana logía entre los sistemas expertos y los sistemas neuro-fuzzy.

4.4. CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC)

Un PLC es un disposit ivo elect rón ico de funcionamiento digita l basado en un microprocesador , que u t iliza una memor ia pa ra el a lmacenamiento de las inst rucciones de programa empleado para el cont rol au tomát ico de maquinas y procesos, median te la implementación de funciones especificas ta les como operaciones lógicas, a r itmét icas, tempor izaciones, cuentas y secuencias, a través de módulos de entrada y salida de tipo analógico / digital.

Los PLC se aplican en : insta laciones de a ire acondicionado, ca lefacción , almacenamiento y trasvase de cereales, cerámica, frió industrial, maquinado y retiro de virutas, plantas depuradoras de residuos, embotelladoras, seguridad, t ra tamientos térmicos, insta laciones eléct r icas y de comando, indust r ia de au tomoción , maquinar ia de ensambla je, maquinar ia en procesos text iles y de confección , maquinar ias en la indust r ia del plást ico, maquinar ia en procesos de grava, arena y cemento, maquinaria industrial del mueble y madera, etc.


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Pueden poseer una in ter fase hombre-maquina (IHM) para la programación , o sino su programación se rea liza u t ilizando la un idad de programación o una termina l de programación independien te, sin embargo actua lmente existen PLCs cuya modula r idad permite insta la r módulos especia lizados que actúan en algunos casos como IHM.

Para programar el PLC se conmuta a l modo de programación y cuando se cu lmine dicho procedimiento, el usuar io conmuta manua lmente a l modo ejecución a fin de que la CPU ejecute el programa en forma repetitiva.

Existen PLC compactos que reúnen en una sola un idad, la fuente de poder , la CPU, la memor ia y las in terfaces I/O. Esta versión representa grandes venta jas en lo que se refiere a costos más accesibles, u t ilización de espacios reducidos, su selección se hace más fácil, responde con a lto desempeño en condiciones host iles del ambiente de t raba jo, pueden ser programados mediante paquetes de software desde una computadora.

La capacidad de expansión de los PLCs permiten usarse en redes de t ransferencia de da tos semejan tes a l usado por las micro o mini computadoras, estas redes son usadas para coleccionar da tos desde cada maquina y genera r repor tes de estado de producción y performance para su manejo. Estas redes proveen comunicación en t re cada PLC para el cont rol de secuencia y sincronización de la planta.

Su histor ia se remonta a fina les de la década de 1960, cuando la indust r ia buscó en las nuevas tecnologías elect rón icas una solución más eficien te para reemplazar los sistemas de cont rol basados en circu itos eléct r icos con relés, in ter ruptores y ot ros componentes comúnmente u t ilizados para el cont rol de los sistemas de lógica combinacional.

Existen var ios lengua jes de programación , t radiciona lmente los más u t ilizados son el diagrama de esca lera , lista de inst rucciones y programación por estados, aunque se han incorporado lengua jes más in tuit ivos que


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permiten implementa r a lgor itmos complejos median te simples diagramas de flujo más fáciles de interpretar y mantener.

En la programación se pueden incluir diferen tes t ipos de operandos, desde los más simples como lógica booleana , contadores, t emporizadores, contactos, bobinas y operadores matemát icos, hasta operaciones más complejas como manejo de tablas (recetas), apuntadores, a lgor itmos PID y funciones de comunicación mut iprotocolos que le permit ir ían in terconecta rse con ot ros dispositivos.

Componentes principales:

Fuente de Poder Convier te la energía eléct r ica disponible (de t ipo AC en muchos casos) a n iveles de tensión cont inua necesar ios para la operación de los circuitos del procesador y las secciones de entrada y salida.

Procesador Es el cerebro del sistema, rea liza la toma de decisiones y la transferencia de la información . En el procesador se dist inguen t res bloques pr incipales como son la CPU, la memor ia y la in ter faz de comunicaciones.

Bloque de entradas Rea liza la in ter fase en t re el procesador y los disposit ivos conectados como entrada, adapta las señales provenientes de los sensores.

Bloque de salidas Rea liza la in ter fase en t re el procesador y los disposit ivos conectados como salida, proporcionando señales a los actuadores.

Interfaz de Comunicaciones Es un componente conversor de protocolos que permite la comunicación del PLC con una PC, con ot ros PLCs, o con ot ros dispositivos de campo.

Software de programación


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El software de desar rollo de a lgor itmos es propio de cada fabr ican te, generalmente se basa en un diagrama escalera (ladder).

5. ESTRATEGIAS DE CONTROL

CONTROL EN CASCADA (Cascade) : Consiste en inclu ir uno o más lazos de cont rol in terno dent ro de ot ro externo, con el objet ivo de anula r per turbaciones, impidiendo que estas per turbaciones secundar ias a fecten a l sistema pr incipa l. Básicamente el cont rolador externo se encarga de la var iable pr incipal, mient ras que los cont roladores in ternos se encargan de las per turbaciones más frecuentes. Ventaja: Las per turbaciones más frecuentes son cor regidas antes de afectar a la variable principal.

CONTROL DE RELACIÓN (Rat io) : Consiste en ana liza r y mantener una proporciona lidad ent re dos o más elementos (actuadores) dent ro de un proceso continuo. Por ejemplo se usa comúnmente cuando tienen que ingresar dos líqu idos a un tanque, y donde la can t idad del pr imer líquido debe ser el doble que la del segundo, además los líquidos deben ent ra r constan temente a l t anque. Si se aplica cont rol por relación , se hará uso de dos sensores de flu jo, un cont rolador , un actuador , y un cont rol de relación , lo que sign ifica un ahorro de inst rumentos y un sistema más sencillo de supervisar y reparar.

CONTROL DE RANGO DIVIDIDO (Split range) : Es aplicado a sistemas con una sola var iable cont rolada y dos o más var iables manipuladas, las cua les a fectan de igua l forma a la variable cont rolada . Requiere compar t ir la señal de sa lida del cont rolador con varios elementos actuadores.

CONTROL SELECTIVO (Overr ide) : Consiste en ejercer cont rol sobre dos var iables de un proceso, relacionas en t re sí de ta l modo que una u ot ra pueda ser cont rolada por la misma var iable manipulada . La acción de cont rol se logra conectando la sa lida de los cont roladores a un switch selector . Es aplicado en segur idad y protección de equipos y motores.

CONTROL INFERENCIAL : Consiste en efectuar la medición de la var iable controlada a t ravés de ot ra var iable relacionada , considerada var iable secundar ia (pero dependiente de la pr incipal). Los componentes de este sistema son los mismos que los de un sistema de


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control rea limentado más una unidad de computo llamada est imador . Se aplica a procesos donde la obtención de in formación o la medición no se puede llevar a cabo por mot ivos de que no existe un elemento medidor para ese t ipo de parámet ros, o si existe es demasiado caro, o también porque no se puede medir constan temente el parámetro. Por ejemplo tenemos la medición del conten ido de humedad en sólidos en operaciones de secado.

COMPENSACION DE TIEMPO MUERTO: El t iempo muer to es el in tervalo de t iempo de respuesta desde que se ingresa una seña l de entrada a un sistema, y el comienzo de una señal de respuesta por la sa lida del sistema. El t iempo muer to presenta la pr incipal dificu ltad en los diseños de sistemas de cont rol estable. Como una regla práctica puede adopta rse la siguien te regla : si el t iempo muerto de un proceso es mayor que 1.5 veces su constan te de t iempo ( ), se requiere compensador de t iempo muer to. Donde ( ), es el t iempo necesar io para que un proceso de pr imer orden a lcance una respuesta igual a l 63.2% de su respuesta final, cuando se le somete a un estímulo escalón.

6. SISTEMAS SCADA

Los sistemas SCADA (Supervisory Cont rol and Data Adquisit ion) son aplicaciones de software, diseñadas con la fina lidad de cont rolar y supervisar procesos a distancia . Se basan en la adquisición de da tos de los procesos remotos.

Estos sistemas actúan sobre los disposit ivos insta lados en la plan ta , como son los cont roladores, au tómatas, sensores, actuadores, regist radores, etc. Además permiten cont rola r el proceso desde una estación remota , para ello el software br inda una in ter faz grá fica que muest ra el comportamiento del proceso en tiempo real.

Los sistemas SCADA necesitan comunicarse vía red, puer tos GPIB, telefónica o sa télit e, es necesar io conta r con computadoras remotas que rea licen el envió de da tos hacia una computadora cen t ra l, esta a su vez será parte de un centro de control y gestión de información.

Para realizar el intercambio de datos entre los dispositivos de campo y la estación central de control y gestión, se requiere un medio de comunicación, existen diversos medios que pueden ser cableados (cable coaxia l, fibra ópt ica , cable telefónico) o no cableados (microondas, ondas de radio, comunicación satelital).


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Funciones y características principales

Supervisión remota de instalaciones y equipos

Control remoto de instalaciones y equipos

Procesamiento de datos e información

Visua lización gráfica dinámica que representen el compor tamiento del proceso

Permite genera r informes con da tos estadíst icos del proceso en un tiempo determinado por el operador.

Representación y/o visualización se señales de alarma

Almacenamiento de información histórica

Permite programar subprogramas que br inden au tomát icamente repor tes, estadíst icas, grá fica de curvas, act ivación de ta reas automáticas, etc.

6.1. ELEMENTOS DEL SISTEMA

Un sistema SCADA esta conformado por:

In terfaz Operador

Máquinas: Es el en torno visua l que br inda el sistema para que el operador se adapte a l proceso desar rollado por la plan ta . Permite la in teracción del ser humano con los medios tecnológicos implementados.

Unidad Cent ra l (MTU): Conocido como Unidad Maest ra . E jecuta las acciones de mando (programadas) en base a los va lores actua les de las var iables medidas. La programación se rea liza por medio de bloques de programa en lengua je de a lto n ivel (como C, Basic, etc.). También se encarga del a lmacenamiento y procesado ordenado de los da tos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.

Unidad Remota (RTU): Lo const ituye todo elemento que envía a lgún t ipo de información a la un idad cent ra l. Es par te del proceso product ivo y necesariamente se encuentra ubicada en la planta.

Sistema de Comunicaciones: Se encarga de la t ransferencia de in formación del punto donde se rea lizan las operaciones, hasta el punto donde se supervisa y controla el proceso. Lo conforman los transmisores, receptores y medios de comunicación.

Transductores: Son los elementos que permiten la conversión de una señal física en una seña l eléct r ica (y viceversa). Su ca libración es muy impor tan te para que no haya problema con la confusión de va lores de los datos.


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Transductores: Son los elementos que permiten la conversión de una señal física en una seña l eléct r ica (y viceversa). Su ca libración es muy impor tan te para que no haya problema con la confusión de va lores de los datos.

Software SCADA: Permiten el manejo de una in terfaz grá fica de usuar io amigable, u tilizan dr ivers para la gran diversidad de equipos existentes, permiten un manejo de bases de da tos, usan técn icas de programación orientada a objetos, etc.

Para la comunicación deben exist ir t res elementos necesar iamente: (1) un medio de t ransmisión , sobre el cual se envían los mensa jes; (2) un equipo emisor que puede ser el MTU y (3) un equipo receptor que se puede asociar a los RTU´s.

En telecomunicaciones, el MTU y el RTU son también llamados Equipos termina les de da tos (DTE, Data Termina l Equipments). Cada uno de ellos t iene la habilidad de genera r una señal que cont iene la in formación a ser enviada . Asimismo, t ienen la habilidad para descifra r la seña l recibida y ext raer la in formación , pero ca recen de una in ter faz con el medio de comunicación.

Los equipos con las in ter faces para el medio de comunicación (modems), llamados también Equipo de Comunicación de Datos (DCE, Data Communica t ion Equipment), son capaces de recibir la in formación de los DTE´s, hacer los cambios necesar ios en la forma de la información , y envia r la por el medio de comunicación hacia el ot ro DCE, el cual recibe la in formación y la vuelve a transformar para que pueda ser leído por el DTE.


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7. SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN

En un proceso product ivo no siempre se just ifica la implementación de sistemas de au tomat ización , pero existen cier tas seña les indicadoras que just ifican y hacen necesar io la implementación de estos sistemas, los indicadores principales son los siguientes:

Requerimientos de un aumento en la producción

Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos

Necesidad de bajar los costos de producción

Escasez de energía

Encarecimiento de la materia prima

Necesidad de protección ambiental

Necesidad de brindar seguridad al personal

Desarrollo de nuevas tecnologías

La au tomat ización solo es viable si a l evaluar los beneficios económicos y socia les de las mejoras que se podr ían obtener a l automat iza r , estas son mayores a los costos de operación y mantenimiento del sistema.

La au tomat ización de un proceso frente a l cont rol manua l del mismo proceso, br inda cier tas venta jas y beneficios de orden económico, socia l, y tecnológico, pudiéndose resaltar las siguientes:

Se asegura una mejora en la ca lidad del t raba jo del operador y en el desar rollo del proceso, esta dependerá de la eficiencia del sistema implementado.

Se obt iene una reducción de costos, puesto que se raciona liza el trabajo, se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.

Existe una reducción en los t iempos de procesamiento de información.

Flexibilidad para adapta rse a nuevos productos (fabr icación flexible y multifabricación).

Se obt iene un conocimiento más deta llado del proceso, median te la recopilación de información y datos estadísticos del proceso.

Se obt iene un mejor conocimiento del funcionamiento y per formance de los equipos y máquinas que in tervienen en el proceso.

Factibilidad técnica en procesos y en operación de equipos.

Factibilidad para la implementación de funciones de análisis, optimización y autodiagnóstico.

Aumento en el rendimiento de los equipos y facilidad para incorporar nuevos equipos y sistemas de información.

Disminución de la contaminación y daño ambiental.

Racionalización y uso eficiente de la energía y la materia prima.


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Aumento en la segur idad de las insta laciones y la protección a los trabajadores.

Existen cier tos requisitos de suma impor tancia que debe cumplir se a l au tomat iza r , de no cumplir se con estos se esta r ía a fectando las venta jas de la au tomat ización , y por tanto no se podr ía obtener todos los beneficios que esta brinda, estos requisitos son los siguientes:

Compat ibilidad elect romagnét ica : Debe exist ir la capacidad para opera r en un ambiente con ru ido elect romagnét ico producido por motores y máquina de revolución . Para solucionar este problema genera lmente se hace uso de pozos a t ier ra para los inst rumentos (menor a 5 ), estabilizadores fer ro-resonantes para las líneas de energía , en a lgunos equipos ubicados a distancias grandes del t ablero de a limentación (>40m) se hace uso de celdas apantalladas.

Expansibilidad y esca labilidad: Es una caracter íst ica del sistema que le permite crecer para a tender las ampliaciones fu turas de la plan ta , o para a tender las operaciones no tomadas en cuenta a l in icio de la au tomat ización . Se analiza ba jo el cr it er io de aná lisis costo-beneficio, t ípicamente suele deja rse una reserva en capacidad instalada ociosa alrededor de 10% a 25%.

Manutención: Se refiere a tener disponible por par te del proveedor , un grupo de personal técn ico capacitado dent ro del pa ís, que br inde el sopor te técnico adecuado cuando se necesite de manera rápida y confiable. Además implica que el proveedor cuente con repuestos en caso sean necesarios.

Sistema abier to: Los sistemas deben cumplir los estándares y especificaciones in ternacionales. Esto garant iza la in terconect ibilidad y compat ibilidad de los equipos a t ravés de interfaces y protocolos, también facilita la interoperabilidad de las aplicaciones y el traslado de un lugar a otro.

7.1. ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN AUTOMATIZADA

MAQUINAS (PROCESO) : Son los equipos mecánicos que rea lizan los procesos, t raslados, t ransformaciones, etc. de los productos o mater ia prima.

ACCIONADORES : Son equipos acoplados a las máquinas, y que permiten rea lizar movimientos, ca len tamiento, ensambla je, embala je. Pueden ser:


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Accionadores eléct r icos: Usan la energía eléct r ica , son por ejemplo, elect roválvulas, motores, resistencias, cabezas de soldadura, etc.

Accionadores neumát icos: Usan la energía del a ire comprimido, son por ejemplo, cilindros, válvulas, etc.

Accionadores h idráulicos: Usan la energía de la presión del agua , se usan para controlar velocidades lentas pero precisas.

PRE ACCIONADORES : Se usan para comandar y act ivar los accionadores. Por ejemplo, contactores, switchs, var iadores de velocidad, distribuidores neumáticos, etc.

CAPTADORES : Son los sensores y t ransmisores, encargados de capta r las seña les necesar ias para conocer el estados del proceso, y luego enviarlas a la unidad de control.

INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA : Permite la comunicación en t re el opera r io y el proceso, puede ser una in ter faz gráfica de computadora , pulsadores, teclados, visualizadores, etc.

UNIDAD DE CONTROL : Son los elementos de cá lcu lo y cont rol que gobiernan el proceso, se denominan au tómata , y conforman la un idad de control.

COMUNICACIONES: Conjunto de elementos que hacen posible t ransfer ir da tos de la unidad de cont rol hacia los elementos insta lados en planta, y viceversa.

Los sistemas au tomat izados se conforman de dos par tes: par te de mando y parte operativa.

ACCIONADORES

PROCESO

PRE ACCIONADOR

CAPTADOR

UNIDAD DE

CONTROL

INTERFAZ Hombre

- Máquina

COMUNICACIÓN con unid. control


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PARTE DE MANDO : Es la estación cent ra l de cont rol o au tómata . Es el elemento pr incipal del sistema, encargado de la supervisión , manejo, corrección de errores, comunicación, etc.

PARTE OPERATIVA : Es la par te que actúa directamente sobre la máquina , son los elementos que hacen que la máquina se mueva y rea lice las acciones. Son por ejemplo, los motores, cilindros, compresoras, bombas, relés, etc.

7.2. PROCESOS DE OPERACIÓN DEL SISTEMA

La automat ización de los procesos indust r ia les debe contemplar todos los posibles estados en que se pueden encontrar las máquinas y los equipos.

No siempre el sistema va a funcionar perfectamente, se presen ta rán casos de fa llas, que impliquen una parada de emergencia del proceso y la correspondiente puesta en marcha nuevamente.

Se debe considera r pr ior ita r io que el sistema este preparado para a fronta r los diversos procesos, para ello el programa del autómata deberá prever que hacer frente a posibles problemas, a fin de reducir el t iempo de parada a l máximo y permitir un proceso de re-arranque simple.

Los procedimientos pueden dividir se en procedimientos de parada y puesta en marcha, procedimientos de funcionamiento, y procedimientos de falla:

PARADA Y PUESTA EN MARCHA: Está refer ido a los modos de funcionamiento en donde el sistema se encuent ra parado, para luego ponerlo en marcha. Pueden ser:


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Parada en el estado in icia l: Corresponde a l estado de reposo normal inicial.

Parada solicitada a fina l del ciclo: Consiste en hacer que una máquina deje de opera r cuando ya ha fina lizado su ciclo de trabajo normal, la máquina pasa al estado de parada inicial.

Parada solicitada en un estado determinado: La máquina t iene que para r por a lgún mot ivo en una par te in termedia de un ciclo, pasa luego a estado de parada obtenida.

Parada obten ida : Es aquella para en un estado in termedio de un ciclo, pueden exist ir diversos grados o puntos in termedios en el ciclo, esto va a estar definido en el programa.

Preparación para la puesta en marcha después de un defecto: En este estado se deben rea liza r las acciones necesar ias para cor regir las fa llas. F ina lizada la reparación , el operador elegirá como y cuando reiniciar la máquina en el proceso productivo.

Puesta del sistema en estado in icia l: Se rea liza de forma automática, retornando la máquina a su estado inicial.

Puesta del sistema en un estado determinado: El operador decide en que estado debe empezar a opera r la máquina , dependiendo de en que parte del ciclo se encuentre el programa.

PROCEDIMIENTOS DE FUNCIONAMIENTO: Pueden ser:

Producción normal: Es el estado de producción común de funcionamiento automático.

Marcha de preparación: Son las acciones necesar ias para permitir que la máquina entre en funciones (Ej. calentamiento de un horno para presión de vapor).

Marcha de cier re: Corresponde la fase de vaciado o limpieza que reciben las máquinas antes de parar.

Marcha de ver ificación sin orden: El operador hace funcionar la máquina en forma manua l, pa ra ver ifica r su cor recto desempeño, t ambién se usa para posicionar la máquina en un determinado estado o lugar.

Marcha de ver ificación con orden: La máquina rea liza un ciclo completo de funcionamiento a l r itmo dado por el operador . Se usa para funciones de mantenimiento y verificación.

Marcha de test : Es una prueba de comprobación de buen funcionamiento que realiza el autómata.

PROCEDIMIENTOS DE FALLA: Pueden ser:

Parada de emergencia : Implica la parada de los accionadores, además se debe guardar en memoria la posición en que quedo la máquina.

Diagnóst ico y/o t ra tamiento de defectos: E l au tómata puede guia r a l operador para indicar le donde se encuent ra el defecto


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(mediante alarmas), el personal de mantenimiento deberá reparar la falla.

Producción a pesar de los defectos: Corresponde a los casos en que la producción debe cont inuar a pesar de que el sistema no funcione cor rectamente. Algunas acciones pueden rea liza rse manualmente por el operador.


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Capítulo IV

INSTRUMENTACION VIRTUAL

1. INTRODUCCION A LA INSTRUMENTACION VIRTUAL

1.1. GENERALIDADES

Muchas veces la rea lización de una medida requiere la in tervención de var ios inst rumentos, unos generan est ímulos sobre el disposit ivo que se pretende medir y ot ros recogen la respuesta a estos est ímulos. Este conjunto de inst rumentos que hace posible la rea lización de la medida recibe el nombre de sistema de inst rumentación . Todo sistema de inst rumentación consta de unos inst rumentos, un sistema de in terconexión de estos inst rumentos y un cont rolador in teligente que gest iona el funcionamiento de todo el sistema y da las órdenes para que una medida se realice correctamente.

E l concepto de inst rumentación vir tua l nace a par t ir del uso de la computadora personal, como forma de reemplazar equipos físicos por software, permite a los usuar ios in teractuar con la computadora como si estuviesen u t ilizando un inst rumento rea l. E l usuar io manipula un inst rumento que no es rea l, se ejecu ta en una computadora , t iene sus ca racter íst icas defin idas por software pero realiza las mismas funciones que un equipo real,

La idea es sustituir y ampliar elementos "hardware" por otros "software", para ello se emplea un procesador que ejecu te un programa específico, este programa se comunica con los disposit ivos para configurar los y leer sus medidas. En muchas ocasiones el usuar io fina l del sistema de inst rumentación sólo ve la representación grá fica de los indicadores y botones de control virtuales en la pantalla del ordenador.

E l concepto de inst rumentación vir tua l implica adquisición de señales, el procesamiento, aná lisis, a lmacenamiento, dist r ibución y despliegue de los da tos e información relacionados con la medición de una o var ias señales, interfaz hombre-máquina, visualización, monitoreo y supervisación remota del proceso, la comunicación con otros equipos, etc.

Un sistema de inst rumentación vir tua l esta enfocado a los inst rumentos encargados de medir señales, regist ra r da tos y decidir las acciones de cont rol, evidentemente, se requiere de una etapa de actuación , que conforma la


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interfaz en t re la computadora y el sistema a controla r , por tan to esta etapa implica rá dr ivers de potencia o t ransductores de seña l especia les. Además, existen ot ras etapas auxilia res que no in tervienen en el proceso de medida , como es el caso del subsistema de alimentación.

Los in icios de la inst rumentación cont rolable desde el ordenador , y de hecho de los sistemas de inst rumentación, se sitúan a mediados de los años 60 cuando Hewlet t Packard, desar rolló su bus para inst rumentación HP-IB (Hewlet t Packard In terface Bus) que permit ía conecta r su gama de inst rumentos programables a un ordenador . Esta in terfase ganó rápidamente gran popular idad y en 1975 fue aceptada como un estándar : el IEEE-488. Desde aquellos días hasta ahora el estándar ha sufr ido var ias modificaciones y el bus GPIB (acrónimo de Genera l Purpose In ter face Bus, por el que se le conoce habitua lmente) se ha conver t ido en uno de los más popula res en el campo de la inst rumentación programable. La inst rumentación vir tua l es un concepto in t roducido por la compañía Nacional Inst ruments el año 2001, los cua les crearon un software que le permit ía a la computadora rea liza r mediciones.

E l t érmino "vir tua l" nace a par t ir del hecho de que cuando se u t iliza el PC como "inst rumento" es el usuar io mismo quién , a t ravés del software, define su funcionalidad y "apar iencia" y por ello decimos que "vir tua lizamos" el inst rumento, ya que su funciona lidad puede ser defin ida una y ot ra vez por el usuario y no por el fabricante.

La modelación de la rea lidad que t iene lugar como resu ltado la simulación , no constituye un elemento determinante para penetrar en la esencia de la misma y llegar a conocer la , es necesar io el empleo de procedimientos que la complementen metodológicamente, y a lcanzar en tonces los objet ivos y la escenificación de la misma. La simulación o vir tua lización consiste por tan to en la representación de la realidad


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1.2. INSTRUMENTACION VIRTUAL FRENTE A LA CONVENCIONAL

Cuando se compara la inst rumentación vir tua l y la inst rumentación convenciona l se compara genera lmente el proceso de sensado. E l proceso de medida o sensado consiste en la asignación de números a las propiedades de los objetos o acontecimientos del mundo rea l, de forma que se obtenga una descripción de los mismos.

Desde el punto de vista de la inst rumentación t radiciona l o convenciona l un inst rumento de sensado es un disposit ivo capaz de recoger señales y campo y proporcionar medidas hacia un disposit ivo cont rolador . Desde el punto de vista de la inst rumentación vir tua l, la computadora median te el hardware necesar io recoge dichas señales de campo y las procesa ; por tanto la computadora se convierte en el dispositivo para medir y controlar un proceso.

E l uso de computadoras t rae venta jas como la conect ividad de redes, es posible u t iliza r un único sistema de adquisición de da tos que proporcione medidas a var ias computadoras loca les o remotas, en las que se ejecu ta el código del inst rumento vir tua l. Esta solución es muy poten te, ya que ahorra mucho t iempo de desar rollo, y por lo genera l no requiere de amplios conocimientos de programación.

Debido a la gran capacidad de a lmacenamiento de las PC's, rápido acceso a la in formación y toma de decisión , br inda la posibilidad de emular una gran can t idad de disposit ivos de medición y opera r var ios inst rumentos a l mismo tiempo.

Un inst rumento vir tua l puede mostra r en panta lla dos t ipos de elementos gráficos:

- Elementos Indicadores: Son elementos de sa lida que permiten most ra r información a l usuar io, por ejemplo, el va lor de una medida . Algunos ejemplos de indicadores son: gráficas, indicadores de aguja, LED, etc.

- Elementos de Control: Los cuales aceptan la ent rada del usuar io, permit iendo gobernar el compor tamiento del programa y/o del sistema. Algunos ejemplos de controles son: interruptores, pulsadores, cajas de entrada de texto, etc.

Venta jas de la inst rumentación vir tua l frente a la inst rumentación convencional:

- La interfaz y el instrumento es definido por el usuario


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- Funciona lidad ilimitada , or ien tado a aplicaciones, conect ividad

amplia. - El software es la clave del sistema - Bajo costo/función, variedad de funciones. - Es reusable y se puede aplicar tantas veces se requiera - Arquitectura "abierta" - Rápida incorporación de nuevas tecnologías, gracias a la pla taforma

PC. - Altas economías de escala, bajos costos de mantenimiento. - In tercambio de in formación con ot ras aplicaciones de Windows, Linux,

u otro sistema operativo. - Múlt iples capturas desde un solo punto, y posibilidad de envió a

múltiples puntos locales o remotos.

2. ADQUISICION DE DATOS

La adquisición de da tos consiste básicamente en capta r una seña l física y llevar la a una computadora , esto sign ifica tomar un conjunto de var iables mensurables en forma física y conver t ir las en tensiones eléct r icas, de ta l manera que se puedan utilizar o puedan ser leídas en la PC.

Es necesario que la señal física pase por una serie de etapas que le permitan a la computadora ser capaz de in terpreta r la seña l enviada . Una vez que las señales eléct r icas se t ransformaron en digita les dent ro de la memoria de la PC, se las puede procesar con un programa de aplicación adecuado a l uso que el usuario desea


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De la misma manera que se toma una seña l eléct r ica y se t ransforma en una digita l den t ro del ordenador , se puede tomar una seña l digita l o binar ia y conver t ir la en una eléct r ica , de esta manera la PC puede envia r seña les hacia dispositivos actuadores.

2.1. ETAPAS DE LA ADQUISICION DE DATOS

La señal física pasa por una ser ie de etapas para poder ser leída por la computadora, estas son:

Transductores delProceso Fìsico

Acondicionamiento yAmplificaciòn de la

Señal

Sofware de Manejo

Adquisicòn de Datos

Computadora Personal

Etapa de transductores:

Los t ransductores son disposit ivos que convier ten una señal física (como por ejemplo presión , tempera tura , luz, etc.) en seña les eléct r icas de volta je o corriente.

Etapa de transmisión:

Permite envia r las señales de sa lida de una etapa hacia ot ra situada en una loca lización remota . Para distancias no excesivas, es común emplear un bucle de corriente 4-20 mA para la transmisión de las señales

Etapa de acondicionamiento:

Cont iene circu itos elect rón icos encargados de t ransformar las señales de sensado en nuevas var iables eléct r icas, de forma que sean más fáciles de


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tratar por el resto de etapas del sistema. Implica filt rado de ru ido, escalonamiento, ajuste al rango del convertidor A/D, etc.

Etapa de adquisición

Efectúa la t ransformación de la in formación ana lógica a un formato digita l, lo que hace posible un poster ior procesamiento y a lmacenamiento median te el uso de una computadora.

Etapa de procesamiento:

Tiene lugar dent ro de la computadora , consiste en la rea lización de operaciones sobre la información digital obtenida: decisiones para el control de un sistema, detección de situaciones de a la rma, cor rección de medidas, almacenamiento y reportes de información, etc.

2.2. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES

Por lo genera l las seña les eléct r icas de campo vienen contaminadas de ru ido, a rmónicos, ca ídas de volta je o cor r ien te, y ot ros fenómenos que distorsionan la señal. Además el común de las ta r jetas de adquisición de da tos están diseñadas para recibir señales de cor r iente en un rango de 4

20 mA y/o señales de volta je en un rango de -5 a 5 Vdc., por tan to es necesar io que las señales eléctricas sean limpiadas y llevadas dentro de estos rangos.

E l acondicionamiento de señal es opcional, porque dependiendo de cada seña l y/o aplicación , se puede o no requer ir amplificación , a tenuación , filt ra je, aislamiento, etc. de cada señal. Si la señal está en el rango de los +/- 5Vdc y no


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se requiere de a islamiento o filt ra je, la misma puede ser conectada directamente la tarjeta de adquisición de datos.

En esta etapa de acondicionamiento podemos encont ra r estas subetapas, aunque no todas están siempre presentes:

Amplificación

Para conseguir la mayor precisión posible la señal de en t rada deber ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con el máximo n ivel que el conver t idor o ta r jeta pueda leer , de este modo se aprovecha todo el rango del dispositivo.

Aislamiento

E l a islamiento eléct r ico en t re el t ransductor y el ordenador , es impor tan te para proteger a l estos de t ransitor ios de a lta t ensión que puedan dañar lo. Un mot ivo adicional para usar a islamiento es el ga ran t iza r que las lecturas del conver t idor no son afectadas por diferencias en el potencia l de masa o por tensiones en modo común. Cuando el sistema de adquisición y la seña l a medir están ambas refer idas a masa pueden aparecer problemas si hay una diferencia de potencia l ent re ambas masas, apareciendo un "bucle de masa", que puede devolver resultados erróneos.

Multiplexado

E l mult iplexado es la conmutación de las en t radas del conver t idor , de modo que con un sólo conver t idor podemos medir los da tos de diferen tes cana les de entrada. Puesto que el mismo convertidor está midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la or igina l dividida por el número de canales muestreados.

Filtrado

E l fin del filt ro es eliminar las señales no deseadas de la seña l que estamos observando. Las señales a lternas, t a les como la vibración , necesitan un t ipo dist in to de filt ro, conocido como filt ro an t ia liasing, que es un filt ro pasabajo pero con un cor te muy brusco, que elimina tota lmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir , ya que se si no se eliminasen aparecer ían superpuestas a la señal medida, con el consiguiente error.

Excitación

La etapa de acondicionamiento de señal a veces genera excitación para a lgunos t ransductores, como por ejemplos las ga lgas extesomét r icas,


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termistores o RTD, que necesitan de la misma, bien por su const itución in terna , (como el t ermistor , que es una resistencia var iable con la t empera tura) o bien por la configuración en que se conectan (como el caso de las galgas, que se suelen montar en un puente de Wheatstone).

Linealización

Muchos t ransductores presentan una respuesta no linea l an te cambios linea les en los parámet ros que están siendo medidos. Aunque la linea lización puede rea liza rse median te métodos numér icos en el sistema de adquisición de da tos, suele ser una buena idea el hacer esta cor rección median te circu itos externos.

3. DIGITALIZACION DE SEÑALES

3.1. CONVERTIDOR A/D D/A

Las seña les son las ondas que permiten la comunicación de un punto a ot ro, las seña les eléct r icas puedes ser cont inuas (ana lógicas) o discretas (digita les). Los inst rumentos de campo se comunican por lo genera l median te señales ana lógicas, mient ras que la computadora y demás disposit ivos elect rónicos t raba jan con señales digita les. Por tan to el paso de un t ipo a ot ro t ipo implica una conversión.

Un conver t idor Analógico / Digita l es un dispositivo que presenta en su sa lida una señal digita l (binar ia ) a par t ir de una seña l analógica de en t rada , (normalmente de tensión) realizando las funciones de muestreo, cuantificación y codificación.


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En la etapa de muestreo, el convertidor toma muestras de la entrada a un r itmo regula r dado por la frecuencia de muest reo Fm o, lo que es equivalente a tomar una muestra en un tiempo T = 1/Fm. Según la Condición de Nyquist , la frecuencia de muest reo mín ima debe ser de dos veces la frecuencia de la onda ana lógica que se qu iere discretizar.

La cuantificación implica la división del rango cont inuo de en t rada en una ser ie de pasos (2N) donde N es el número de bit s, de modo que para in fin itos va lores de la en t rada la sa lida sólo puede presenta r una ser ie determinada de va lores. Por tanto la cuant ificación implica una pérdida de información a menor cantidad de bits.

La codificación es el paso por el cual la señal digital se ofrece según un determinado código binar io, de modo que las etapas poster iores a l convertidor puedan leer estos datos adecuadamente.

Un conver t idor Digita l / Ana lógico es un disposit ivo que emite una seña l ana lógica a par t ir de una seña l de en t rada digita l. Esto lo logra median te el proceso inverso al convertidor A/D.

3.2. ERROR DE CONVERSION

Los er rores que pueden ocur r ir cuando se convier te una seña l ana lógica a digital son los siguientes:

Error de Ganancia: Produce un valor de fondo de escala incorrecto. Un error de ganancia posit ivo hace que el va lor de fondo de esca la


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analógico se obtenga con un código digita l menor que el todo 1s . Un er ror de ganancia negat ivo hace que el código de todo 1 sea producido por un valor menor que el fondo de escala.

Error diferencia l no-lineal: Es la máxima diferencia en t re dos va lores de entrada que producen códigos de salida consecutivos.

Error in tegra l no-lineal: Es la in tegra l del á rea limitada por la curva característica del convertidor y la curva ideal.

Error de aper tura : Es el er ror debido a la var iación de la señal de entrada mientras se está realizando la conversión.

Error de Offset : Es un desplazamiento constan te para todos los valores de la curva obtenida (real) y la curva original (ideal).

Efecto Aliasing: El a liasing se produce cuando la frecuencia de muest reo es menor que la de la señal que se muest rea , y se refiere a l hecho de que podemos in terpreta r de una manera no exacta la señal, apareciendo un "alias" de la señal


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4. DISEÑO Y SELECCIÓN DE TARJETAS DAQ

La tarjeta de adquisición de datos permite que una computadora pueda recibir y enviar datos, así como comunicarse con otros dispositivos inteligentes.

Cuando se escoge un modelo de DAQ se debe tener en cuenta:

Número de canales entrada/salida de la tarjeta

Características digital/analógica de los canales

Contadores, timer, cantidad de memoria

Resolución del conversor A/D (8, 12, 16 bis)

Rango de lectura en voltaje/corriente

Ganancia de entrada, impedancia, frecuencia

Características y arquitectura modulare

Capacidad de expansión de canales

Bus de comunicación con la PC

Software de procesamiento de datos

Compatibilidad con otros fabricantes y otros protocolos

Características industriales (robustez, temperatura, filtros, etc.)

Velocidad de muestreo

4.1. TIPOS DE TARJETAS DAQ

Las tarjetas de adquisición de datos (DAQ) pueden ser como las siguientes tarjetas independientemente o contar con combinaciones de estas:

Tarjetas A/D: Convierten las señales analógicas en señales digitales. Los rangos de tensión de entrada comúnmente utilizados son: 10V, -5V y 5V, 0 a 5V, 0 a 10V, también hay tarjetas A/D que miden corrientes entre 4 a 20 mA.

Tarjetas D/A: Convierten una señal digital dada por la computadora en una señal analógica. Los rangos normales de salida de tensión que otorgan estas

tarjetas son de 5V, 10V, 0 a 5V y de 0 a 10V, también hay tarjetas que generan corriente de 4 a 20 mA.

Tarjetas I/O: Son tarjetas de entradas y salidas digitales. Mediante estas tarjetas se pueden accionar todo lo que implique cambio entre dos estados. Por lo general se tiene un nivel bajo de 0 a 0.8 V, y un nivel alto de 2 a 5 V, dependiendo de cada fabricante.


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Tarjetas con relés: Son tarjetas que poseen un relé de salida digital que se emplea para accionar un determinado componente del proceso. Este relé cumple con las funciones de un interruptor.

Tarjetas con acopladores: Son tarjetas que poseen circuitos optoacopladores en las entradas digitales que permiten separar la electrónica del proceso con la electrónica de la computadora. Esto se emplea con la finalidad de proteger a la PC de un eventual cortocircuito.

Tarjetas de comunicación: Permiten comunicar la PC con el medio exterior.

Tar jetas in teligentes: Estas ta r jetas cuentan con un microprocesador que les permite realizar cálculos y operaciones autónomamente.

4.2. COMPONENTES DE LAS TARJETAS DAQ

Los elementos que componen una tarjeta de adquisición de datos son:

Multiplexor

Es un sistema combinaciona l con un determinado número de en t radas, denominadas cana les, una sa lida de da tos y unas en t radas de selección . La función que realiza un multiplexor la de un selector de entradas. Algunas de las especificaciones impor tantes de los mult iplexores son: corrientes de fuga de switch, CMRR, corriente de bias del amplificador, tiempo de switching, constante de tiempo RC, absorción dieléctrica, cross-talk.

Amplificador de instrumentación

Es un amplificador más ú t il, preciso y versá t il. Se logra conectando un amplificador reforzado a un amplificador diferencia l básico. Se le aplica una en t rada diferencia de volta je, la ganancia del amplificador se establece median te una resistencia . La resistencia de en t rada de ambas en t radas es muy alta y no cambia conforme se varía la ganancia. Las especificaciones impor tan tes en los Amplificadores de Inst rumentación son: Volta je offset , CMRR, er ror de linea lidad, er ror de ganancia , ru ido de entrada, deriva de tiempo y de tensión, settling time.

Filtros

Un filt ro es un circuito que se ha diseñado para deja r pasar una banda de frecuencia especificada , mient ras a tenúa todas las señales fuera de esta banda . Los circu itos pueden ser pasivos (usa solo resistencias capacitancias e inductancias) ó act ivos (además de los elementos pasivos usan elementos activos como transistores, operacionales, etc.)


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Hay cua t ro t ipos de filt ros : Pasa ba jo, pasa a lto, pasa banda y rechaza banda . Las funciones de t ransferencia de los filt ros son funciones de aproximaciones, ellas pueden ser del t ipo But terwor th , Chebyschev o Bessel. Cada una con características específicas en respuesta transitoria, fase y amplitud.

Sample/hold

La función básica de un sample/hold en un sistema de ent rada analógica es captura r una seña l de en t rada y mantener la constan te duran te el ciclo de conversión de análoga a digital. Todo sample/hold t iene una especificación del droop ra te para un tamaño de condensador de hold en par t icu la r . Ot ras especificaciones impor tan tes son el volta je offset , er ror de pedesta l, ru ido de en t rada , absorción dieléct r ica , settling time, acquisition time, aperture delay.

Conversor Analógico Digital

Un conversor analógico digita l (ADC) toma una señal de en t rada analógica cont inua , y la convier te en un número binar io que puede ser manipulado por la PC. Las especificaciones que deben ser consideradas en los ADC son: voltaje offset, er rores de linea lidad diferencia l e in tegra l, er ror de ganancia , va r iaciones con el tiempo y temperatura, perdida de códigos, tiempo de conversión.

Conversor Digital Analógico

Un conversor digita l analógico (DAC) toma señales digita les como ent radas y genera volta jes o cor r ientes de sa lida constan te la cual será u t ilizada para controlar procesos o informar el estado actual. Las especificaciones impor tan tes en los DAC son: er ror de linea lidad, monotonicidad, precisión absolu ta , precisión rela t iva , estabilidad, set t ling time y glitches.

Diagrama de bloques de una tarjeta DAQ:


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5. DISEÑO DE INSTRUMENTOS VIRTUALES

Para const ru ir un inst rumento vir tua l, sólo requer imos de una PC, una ta r jeta de adquisición de da tos con acondicionamiento de seña les (PCMCIA, ISA, XT, PCI, etc.) y el software apropiado.

Un inst rumento vir tua l debe rea liza r como mínimo las t res funciones básicas de un instrumento convencional: adquisición, análisis y presentación de datos.

La inst rumentación vir tua l puede también ser implementada en equipos móviles (laptops), equipos dist r ibu idos en campo (RS-485), equipos a distancia (conectados vía radio, Internet, etc.), o equipos industriales (NEMA 4X, etc.).

Existe una ta r jeta de adquisición de da tos para casi cualquier bus o canal de comunicación en PC (ISA, PCI, USB, ser ia l RS-232, RS-422, para lelo EPP, PCMCIA, CompactPCI, PC/104, VMEbus, CAMAC, PXI, VXI GPIB, etc.), y existe un dr iver para casi cua lquier sistema opera t ivo (WIN /3.1 /95 /2000 /XP /NT, DOS, Unix, Linux, MAC OS, etc.).

Algunos programas especia lizados en este campo son LabVIEW, Agilent-VEE (an tes HP-VEE), Cyber Tools, Beta Inst ruments Manager , Mat lab Simulink, etc.

Ruido del sistema

Idea lmente, una señal que es digita lizada y en t regada por un inst rumento vir tua l es la misma seña l que es ingresada a l inst rumento. Frecuentemente se pueden a t r ibuir las diferencias ent re las seña les de en t rada y sa lida a l ru ido del sistema, el cua l proviene de un diverso número de fuentes, incluyendo el medio ambiente y el instrumento mismo.

E l diseño de un inst rumento vir tua l requiere que se comprenda como el ru ido puede afectar la adquisición de da tos, el diseño del hardware y el medio ambiente.

Si no se ent ienden las preocupaciones rela t ivas ta les como la in terferencia electromagnética (EMI), manejo de la fuente de potencia , puesta a t ier ra , la configuración elect rón ica , etc., en tonces no se puede diseñar un inst rumento que sea exacto dentro de un medio ambiente eléctricamente ruidoso.

Para conseguir determinar el ru ido en un sistema con inst rumentación virtual, se debe seguir los siguientes pasos:


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Pr imeramente se deben poner a t ier ra las ent radas del inst rumento y medir cualquier señal de ruido remanente.

Seleccione un canal de en t rada del inst rumento y conecte las en t radas positivas y negat ivas a la t ier ra del mismo. Se deberán conecta r las en t radas del conector del inst rumento tan cerca del conector como sea posible a fin de reducir cua lquier acoplamiento de ru ido externo sobre la conexión.

Configure el inst rumento para adquir ir un millón o más de da tos a la deseada velocidad de muest reo. Repase sólo los códigos binar ios entregados por el instrumento.

Ahora cuente cada vez que ocur re un código binar io y coloque la in formación en un histograma. Para un inst rumento de 16 bit s, su histograma posee 216 in terva los y cada in tervalo cont iene la can t idad de veces que fue contado el código binario en particular.

Luego se deberá normaliza r los da tos adquir idos. Debido a que el inst rumento no es idea l, se deberán buscar las desviaciones de los da tos con respecto a l cero. Para normaliza r los da tos se debe dividir el número de ocur rencias en cada in tervalo por el número tota l de muest ras adquir idas. Esto provee un va lor normalizado que representa la probabilidad de ocurrencia de un código en particular.

Para determinar el peor ru ido, se debe encont ra r el código que posea la mayor probabilidad y comparar lo con el código que se ha lle más lejos y posea la menor probabilidad. La diferencia en t re los dos en LSBs es el mayor ruido del instrumento.

Inexactitud absoluta

La inexact itud absolu ta de un inst rumento vir tua l es la máxima diferencia en t re el va lor medida en t regado por el inst rumento y el va lor rea l aplicado en su entrada.

Típicamente, un fabr icante provee información de la exact itud absolu ta para cada rango de entradas y modos que el instrumento puede manejar.

Las tablas de exact itud absolu ta a menudo incluyen información de la exact itud basadas en el per íodo t ranscur r ido desde la ú lt ima ca libración del inst rumento. Esta var iación de la exact itud con el t ranscurso del t iempo se debe a la desgaste de los componentes elect rón icos que const ituyen el instrumento.


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Para tener en cuenta este desgaste, se debe ca libra r el inst rumento a intervalos de tiempo determinados siguiendo un cronograma de actividades.

Exactitud absoluta

Las especificaciones de exact itud absolu tas ayudan a determinar la incer t idumbre genera l de las mediciones. La habilidad del inst rumento para medir con exact itud una magnitud física var ía con una ser ie de factores, t a les como: t iempo en servicio, tempera tura , humedad, exposición a l medio ambiente y abuso.

Para ver ifica r la exact itud absolu ta de un inst rumento vir tua l, se deben seguir los siguientes pasos:

Utilice la tabla de exactitud absoluta proporcionada por el fabricante y ca lcule la exact itud para una ent rada en par t icula r . En muchos casos, se eligen puntos de ensayo cerca de los fondos de esca la negat ivos y positivos del rango de entrada así como también el cero.

Utilice una fuente de precisión y en t re el va lor a ensayar a l instrumento.

Compare las mediciones del inst rumento con la exact itud ca lcu lada en el pr imer paso. Un inst rumento diseñado adecuadamente que se ha lla ca librado provee resu ltados de mediciones que cumplen con las especificaciones de exactitud absoluta publicadas por el fabricante.

Calibración de Instrumentos Virtuales

La ca libración cuant ifica la incer t idumbre en la medición comparando las mediciones con una norma conocida . Esto ver ifica que el inst rumento se ha lla operando dentro de especificaciones establecidas.

Durante a lgún t iempo los usuar ios comprendieron la necesidad de ca libra r inst rumentos t radiciona les. Los mismos pr incipios se aplican a mediciones rea lizadas con computadoras. Se deber ían seleccionar inst rumentos vir tua les que provean her ramientas para rea liza r t anto ca libraciones in ternas (conocidas como auto-calibraciones), como calibraciones externas.

Las opciones de calibración externa e interna ofrecen dos beneficios diferentes: con la ca libración externa se puede asegurar que la exact itud de la medición está sujeta a una norma conocida. Con la calibración interna, se puede ajustar el inst rumento para ser u t ilizado en medios ambientes diferen tes a los cua les se realizó la calibración externa.


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La calibración externa requiere el uso de fuentes de a lta precisión , t ambién conocidas como pa t rones. Durante una ca libración externa , las constan tes de ca libración a bordo y las referencias se a justan con respecto a las constan tes pa t rón externas. La ca libración externa se reserva a labora tor ios de met rología u ot ras inst ituciones que mantengan normas ver ificables. Una vez que se completó la calibración externa, las nuevas constantes de calibración se a lmacenan en un á rea protegida de la memoria de los inst rumentos y no pueden ser modificadas por el usuar io. Esto protege la in tegr idad de la calibración de la adulteración.

Debido a que la ca libración in terna no se basa en pa t rones externos, es un método mucho más simple. Con la ca libración in terna , las constantes de ca libración del inst rumento se a justan con respecto a referencias precisas existen tes en el mismo. Luego de que se ca libró externamente el inst rumento y colocado en un medio ambiente donde las var iables externas, t a les como tempera tura , difieren de las del medio ambiente or igina l, se puede u t iliza r este t ipo de ca libración . F ina lmente, a diferencia de la ca libración externa , se puede rea liza r una ca libración in terna en cualquier momento u t ilizando funciones del software que son provistas con el manejador de la placa del instrumento.

Ejecución del Programa

La ejecución de un programa dentro de un controlador basado en PC sigue un esquema cíclico que se compone de los siguientes pasos:

Operaciones de gest ión del sistema: Consiste en el t ra tamiento de la información , t ra tamiento de las pet iciones y las llamadas efectuadas por el terminal de programación y el envío de mensajes al terminal.

Lectura del estado de las en t radas: Consiste en la lectura de los regist ros de los módulos de en t rada y el a lmacenamiento de estos datos en una memoria.

Ejecución del programa a lmacenado: Empieza por la pr imera línea y sigue ejecu tando línea por línea hasta la ú lt ima . Durante esta ejecución no se considera una posible var iación en el estado de las en t radas, el estado de las en t radas te toma del va lor a lmacenado en la memoria . Una vez ejecu tada la ú lt ima línea se graban los resultados nuevamente en la memoria.


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Escr itu ra de da tos de sa lida : Se efectúa una t ransferencia de in formación de la memor ia a los módulos de sa lida . El ú lt imo va lor que tome la var iable de sa lida será a lmacenado en la memoria

La ejecución del programa pr incipa l y los subprogramas, puede rea liza rse de dos maneras:

Ejecución cíclica : Consiste en encadenar los ciclos del programa uno t ras ot ro en forma cont inua y sin in ter rupciones. Después de actua liza r las sa lidas, el sistema pasa a rea liza r el ciclo nuevamente y así sucesivamente. Es el método de ejecución por defecto.

Ejecución per iódica : Consiste en ejecu ta r el programa durante cier to t iempo, o también duran te un número defin ido de veces, estos criterios pueden ser definidos por el operador.

Calidad de Energía Eléctrica

E l proceso de implementación de inst rumentos vir tua les involucra la incorporación de equipamiento de ú lt ima generación donde se incluyen sistemas electrónicos. Desafortunadamente muchos de los equipos electrónicos de ú lt ima generación son muy sensibles a las pequeñas var iaciones de volta je de alimentación.

La ca lidad de la energía eléctrica es un conjunto de normas que son establecidas para garant izar la buena ca lidad del servicio eléct r ico de los usuarios. Se emplea para descr ibir la var iación de la tensión , cor r iente, frecuencia, y continuidad en el sistema eléctrico

Los sín tomas de un problema de ca lidad de energía podr ían ser t an simples como cuando se presenta el caso que la luz de una lámpara incandescente oscurece cada vez que se a r ranca un motor eléct r ico, o podr ía ser más ca tast rófico aún como cuando se malogra un equipo elect rónico. De cua lquier


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manera , un problema de ca lidad de energía puede in ter rumpir el proceso productivo de una industria, ocasionando grandes pérdidas económicas.

Los problemas de ca lidad de energía pueden ser agrupados en las siguientes categorías:

- Interrupción Temporal. - Interrupción Total. - Interrupción Momentánea. - Caída de Tensión (Sag) - Sobretensión (Swell) - Transitorio, Impulso o Pico de Voltaje. - Distorsión de la Onda de Voltaje (Picos de menor magnitud) - Ruido - Distorsión Armónica

Estos problemas de energía eléct r ica en su mayoría son generados por diversas fuentes ta les como: Transferencias de energía de grupo elect rógeno a línea, movimiento de grandes ca rgas eléct r icas, t ransmisores de ondas, soldadoras eléct r icas, cor tes y reconexión de equipos, acondicionadores, refrigeradores, etc.

Existen var ios t ipos de disposit ivos acondicionadores de energía eléctrica (Filt ros RFI, Line Chokes, Transformadores de fer ro resonantes, supresor de volta jes t ransitor ios, etc.) se encuent ran disponibles en el mercado para proteger equipos elect rónicos sensibles cont ra los problemas de ca lidad de energía.

También es más recomendable tener un sistema de puesta a t ier ra . Los sistemas se conectan a t ier ra para limita r las sobretensiones eléct r icas debidas a descargas a tmosfér icas, t ransitor ios en la red o contacto accidenta l con líneas de a lta t ensión , y para estabiliza r la t ensión eléct r ica a t ier ra duran te su funcionamiento normal. Los equipos se conectan a t ier ra de modo que ofrezcan un camino de ba ja impedancia para las cor r ien tes eléct r icas de


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falla , y que faciliten el funcionamiento de los disposit ivos de protección cont ra sobrecorriente en caso de falla. E l sistema de puesta a t ier ra también es impor tante para el sistema eléct r ico ya que proporciona un punto estable de referencia eléct r ica . Deberá de tener un valor de resistividad menor o igual a 5 Ohms.

Además deben exist ir dos sistemas de puestas a t ier ra independien tes (aislados):

- Sistema de puesta a tierra para equipamiento eléctrico - Sistema de puesta a tierra para equipamiento electrónico


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Capítulo V

COMUNICACIONES Y

TRANSMISIÓN DE DATOS

1. REDES INDUSTRIALES

Las redes de comunicaciones indust r ia les son aquellas que permiten in terconectar los equipos de una plan ta o sistema en una aplicación común, bajo protocolos de red especial.

1.1. JERARQUIAS DE REDES

Las redes indust r ia les están normalizadas sobre 3 n iveles de jera rquía , cada n ivel o jera rquía permite la conexión de diferen tes t ipos de equipos con sus propias características comunes de compartir la información.

NIVEL DE INFORMACIÓN: Es el

nivel más a lto de la red y está dest inado a una computadora cent ra l o servidor que procesa el compor tamiento de la producción en la plan ta y permite operaciones de monitoreo estadíst ico de la misma, siendo implementado, por lo genera l, con un software gerencia l (MIS). La norma Ethernet , operando con el protocolo TCP/IP , es lo que más se u t iliza en este nivel.


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NIVEL DE CONTROL: Es el n ivel in termedio de la red. Es la red cen t ra l loca lizada en la plan ta , que incorpora los PLCs, DCSs y PCs. En este n ivel, la in formación debe moverse en t iempo rea l para garan t iza r la actua lización de los da tos en el software que se encarga de la supervisión de la aplicación.

NIVEL DE ENTRADA/SALIDAD: El n ivel más de la red, se refiere genera lmente, a las conexiones físicas de la red de los disposit ivos de en t rada y/o sa lida discretos. Este n ivel de red conecta los equipos de ba jo n ivel en t re las par tes físicas y las de control. En este n ivel se encuentran los sensores discretos, contactores y bloques de E/S.

Direccionalidad Ent re dos disposit ivos los da tos pueden t ransmit ir se en una única dirección (comunicación unila tera l o simplex). También pueden t ransmit ir se en dos direcciones, pero en forma simultánea (comunicación bila tera l a lternada o ha lf dúplex. F ina lmente pueden t ransmit ir se en ambas direcciones y simultáneamente (comunicación bilateral simultánea o full dúplex).

1.2. CLASIFICACION DE LAS REDES

Las redes pueden clasifica rse por el t ipo de equipamiento conectado a ellas y el t ipo de da tos que circu la por la red. Los da tos pueden ser bit s, bytes o bloques, así tenemos:

- Red Sensorbus Datos en formato de bits - Red Devicebus Datos en formato de bytes - Red Fieldbus Datos en formato de paquetes de mensajes

La red SENSORBUS conecta equipos simples y pequeños directamente a la red. Los equipos de este tipo de red necesitan de una comunicación rápida en los n iveles discretos y son t ípicamente sensores y actuadores de ba jo costo. Estas redes no pretenden cubr ir grandes distancias; su pr incipa l preocupación es mantener los costos de conexión tan ba jos como sea posible. E jemplos t ípicos de redes Sensorbus: Seriplex, ASI e Interbus Loop.


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La red DEVICEBUS ocupa el espacio ent re las redes Sensorbus y F ieldbus y puede cubr ir distancias de hasta 500 m. Los equipos conectados a esta red t ienen más puntos discretos, a lgunos da tos ana lógicos o una mezcla de ambos. Además, a lgunas de estas redes permiten la t ransferencia de bloques de da tos con una menor pr ior idad comparado con los da tos en forma de bytes. Esta red t iene los mismos requisitos de t ransferencia rápida de da tos que la red Sensorbus, pero consigue maneja r más equipos y da tos. Algunos ejemplos de redes Devicebus: Device-Net , Smar t Dist r ibu ted System (SDS), Profibus DP, LonWorks, Interbus- S.

La red FIELDBUS in terconecta equipos de E /S más in teligentes y puede cubr ir mayores instancias. Los equipos acoplados a la red poseen in teligencia para desempeñar funciones específicas de cont rol, t a les como lazos de control PID, cont rol de flu jo de información y procesos. Los t iempos de t ransferencia pueden ser la rgos, pero la red debe ser capaz de comunicar var ios t ipos de da tos (discretos, ana lógicos, parámet ros, programas e informaciones del usuar io). E jemplo de estas redes: IEC/ISA SP50, F ieldbus Founda t ion , Profibus PA y HART.

1.3. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO

Los Sistemas de Cont rol Dist r ibu ido (DCS

Distr ibu ted Cont rol Systems), son redes descent ra lizadas para el manejo y gest ión administ ra t iva del elemento cent ra l o servidor de la red. Estos sistemas dist r ibu idos u t ilizan un cont rolador para uno o unos pocos lazos de regulación y han sust itu ido un basto sistema de comunicaciones por un único canal muy rápido.

Estos sistemas son dest inados a l cont rol de grandes o pequeñas plan tas de procesos, fundamenta lmente de t ipo cont inuo (papeleras, cementeras, pet roquímicas, energía , siderurgia , etc.), con capacidad de llevar a cabo el cont rol in tegra l de la plan ta . Se ca racter izan por un fuer te componente informático y una estructura jerarquizada.

Si bien se permite la total integración de las señales analógicas y las digitales, estos sistemas no suelen esta r concebidos para rea liza r cont rol digita l que necesite a lta velocidad de respuesta (enclavamientos de quemadores, máquinas rota t ivas, etc.). E llo hace que en a lgunas aplicaciones se complemente el DCS con PLC s más o menos in tegrados, para rea liza r esta tarea.

Su venta ja es la gran in tegración que poseen los dist in tos componentes (software, disposit ivos de cont rol, en t radas y sa lidas, inst rumentos, etc.), la facilidad de diagnóst ico que el sistema ofrece a los operadores, desar rollo del


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sistema en base a módulos en hardware y software, redundancia en los equipos y en el subsistema de comunicaciones.

Pueden rea liza r est ra tegias de cont rol complejas, cuentan con la capacidad de comunicación con ot ros ordenadores encargados de la gest ión del proceso , control avanzado, modelos matemáticos, etc. Permite al operador monitorear y cont rola r todos y cada uno de los lazos de cont rol en la plan ta a t ravés de enlaces de comunicación de alta velocidad.

Entre sus características podemos citar:

Cuentan con recursos de software y hardware compar t idos, los cua les son administ rados por un gestor pudiendo usar un modelo cliente/servidor o un modelo basado en recursos y objetos.

Son sistemas ampliables, de a rquitectura abier ta , con in ter faces estandarizadas, puede añadirse nuevos elementos y nuevos servicios.

Los usuarios pueden estar utilizando distintas tareas, el acceso a estas ta reas y recursos deben ser sincronizados, se dice que el sistema posee concurrencia.

Poseen esca labilidad, es decir sigu iendo una jera rquía de esca lones uno por deba jo de los ot ros consecut ivamente. La esca labilidad en sistemas dist r ibuidos supone que a veces hay que hacer var ios


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recursos para ello. Si estamos compar t iendo un fichero y lo vamos modificando debe reflejarse a los diferentes usuarios.

Debe poseer y brindar seguridad ante accesos no deseables

Debe poseer y brindar consistencia a la hora de acceder a los datos.

Debe poseer y br indar tolerancia a fa llos. Si tenemos un sistema mult iusuar io, el fa llo de un usuar io puede hacer que ca iga el sistema, en cambio en un sistema dist r ibuido sólo hará que fa lle donde se produjo el error ese usuario.

Cuentan con t ransparencia , que es la ocultación que se proporciona a l usuar io y a los programadores de aplicaciones de los recursos del sistema.

2. COMUNICACIONES INDUSTRIALES

2.1. GENERALIDADES

La comunicación indust r ia l se ha venido rea lizando median te una conexión física (cable) que conecta exclusivamente cada sensor o cada actuador a su equipamiento de cont rol, donde la in formación se t ransmite por una seña l analógica (generalmente 4

20 mA).


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Ahora se sust ituye la t ransmisión ana lógica punto a punto por una digita , donde los disposit ivos de campo (sensores y actuadores) y disposit ivos de cont rol compar ten una única línea bidirecciona l para t ransmit ir información en t re ellos (Bus de Campo/ F ieldbus). Las seña les ana lógicas son conver t idas a digital en los mismos dispositivos de campo.

La comunicación digita l, sopor tada por componentes de hardware y software, ha permit ido implementar prestaciones de gran t rascendencia en el diseño de los sistemas de au tomat ización de plan tas, pudiéndose mencionar : economía de cableado, programación a distancia de los disposit ivos de campo, recibir in formación de diagnost ico, dist r ibu ir funciones de cont rol en t re los disposit ivos (rea l cont rol dist r ibu ido), facilidades de sust itución y modula r idad, disponibilidad de in formación para mantenimiento predict ivo, etc. La dist r ibución de funciones hace más confiable a l sistema y disminuye el costo de los t radiciona les disposit ivos de cont rol cen t ra lizados como PCs o PLCs, disminuyendo sus capacidades de procesamiento y memoria.

Toda la información generada en el proceso de fabr icación puede ahora a rch ivarse en una base de da tos de plan ta , la que su vez puede in tegra rse con el sistema administ ra t ivo. Esto da lugar a la implementación de una est ra tegia dinámica de manejo in tegra l de personas, procesos, in formación , est ructura y tecnología para proporcionar un método más eficaz de gest ión y obtener ventajas competitivas para la empresa.

La comunicación indust r ia l digita l comprende un amplio rango de productos de hardware, software y protocolos para comunicación ent re pla taformas estándar de computación y dispositivos de automatización. La conexión física se rea liza a t ravés de in ter faces ser ies normalizadas por la EIA, ta l como RS-232, RS-422 o RS-485.

Estas normas especifican solamente las ca racter íst icas eléct r icas del sopor te físico de comunicación, pero nada dicen del software necesario para manipular la información que circula sobre el soporte.

La RS-232 está limitada por la distancia de conexión y velocidad. También esta limitada a la conexión punto a punto entre PC y dispositivos informáticos como modem, mouse, etc.

La RS-422 t raba ja en forma diferencia l con las líneas que t ransmite y recibe, el circu ito t iene solo dos h ilos sin que exista una línea de masa común. Los unos y ceros lógicos se establecen en función de la diferencia de tensión entre ambos conductores del circu ito. Resulta una in ter fase ser ial con una gran inmunidad a l ru ido y una mayor distancia de conexión a los disposit ivos, preferible a la interfaces serie RS-232 para operar en las condiciones difíciles que siempre se presentan en los entornos industriales.


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La RS-485 es una leve modificación de la RS-422, redefin iendo caracter íst icas eléct r icas pa ra asegurar un nivel de tensión adecuado a la máxima carga , incrementándose el número de disposit ivos de 10 a 32; los que se conectan en para lelo a los dos conductores, sin necesidad de módem. Con esta capacidad y una a lta inmunidad a l ru ido se pueden crear redes de disposit ivos de adquisición de da tos y cont rol, conectados a una simple puerta serie RS-485 de un PC.

2.2. MODELO OSI

Para resolver los problemas de compat ibilidad de conexión y para que se comprendan en t re sí los diferen tes equipos que in tegran la red, la ISO (In terna t iona l Standard Organiza t ion) creo o modelo o arquitectura de comunicación llamada OSI (Open System In terconnect ), representada por 7 capas o n iveles, con funciones per fectamente defin ida para cada una , pero sin establecer como esas funciones son cumplidas en el interior de la capa.

E l modelo OSI especifica un modelo de comunicaciones dividido en siete n iveles. Cada n ivel define un conjunto de funciones que son necesar ias para comunicar con ot ros sistemas similares. Se comunican únicamente con los sistemas adyacentes. Cada uno añade va lor a los n iveles anter iores, hasta que, el n ivel super ior ofrece un abanico completo de servicios para las aplicaciones de comunicación.

Nivel 1

Capa Física : Se refiere a conexiones eléct r icas y seña les que permiten in terconecta r los componentes diversos de una red: cable coaxil, fibra óptica, par trenzado, medio inalámbrico, etc.

Nivel 2

Capa de Enlace: Se ocupa de las t écn icas para colocar y recoger los datos en el cable de interconexión. Se subdivide en:

Subnivel-LLC (Logica l Link Cont rol), se refiere a l cont rol lógico sobre la línea.


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Subnivel-MCA (Media Access Cont rol), se refiere a l modo de acceso a la línea y comprende t res sistemas en vigencia CSMA/CD, TOKEN BUS, TOKEN RING.

Nivel 3

Capa de Red: Se ocupa de direccionar y envia r los paquetes de

información y redireccionarlos entre redes y/o hardware similar, seleccionando el camino en base a prioridades y tipo de red.

Nivel 4

Capa de Transpor te: Proporciona el t ranspor te fiable de los da tos garan t izando el envío de paquetes, cont rolando el formato, orden de sa lida y llegada de los paquetes, independiente del hardware.

Nivel 5

Capa de Sesión: Administ ra las comunicaciones en t re dos ent idades y comprende: establecimiento, mantenimiento y fina lización de sesiones, manejando convenciones de nombres y direcciones de red.

Nivel 6

Capa de Presentación: Modificación de formatos de los da tos en su paso hacia y desde la red, compatibilizando ficheros, impresoras, plotters, etc.

Nivel 7

Capa de Aplicación: Presta servicios a l usuar io, comprenden la in teracción directa con los procesos de aplicación , manejando las transferencias de ficheros, base de datos, correo electrónico, etc.

2.3. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

El protocolo const ituye el conjunto de reglas y convenciones en t re entes comunicantes. E l objet ivo es establecer una conexión en t re DTE, ident ificando el emisor y el receptor , asegurando que todos los mensa jes se t ransfieran correctamente, controlando toda la transferencia de información.

Cada protocolo esta optimizado para diferentes niveles de automatización y en consecuencia responden a l in terés de diferen tes proveedores, cada protocolo t iene un rango de aplicación , fuera del mismo disminuye el rendimiento y aumenta la relación costo/prestación.

Así tenemos:

HART (Highway Addressable Remote Transducer)

Es un protocolo de fines de 1980, que proporciona una seña l digita l que se superpone a la señal ana lógica de medición en 4-20 mA. Permite conecta r va r ios disposit ivos sobre un mismo cable o bus (Mult idrop), a limentación de los disposit ivos, mensa jes de diagnóst icos y acceso remoto de los da tos del disposit ivo, sin afecta r la señal ana lógica de medición . La mayor limitación es


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su velocidad (1200 baudios), normalmente se pueden obtener 2 respuestas por segundo. La a limentación se suminist ra por el mismo cable y puede sopor tar hasta 15 dispositivos

MODBUS.

Es un protocolo u t ilizado en comunicaciones vía modem

radio, para cubr ir

grandes distancia a los disposit ivos de medición y cont rol, como el caso de pozos de pet róleo, gas y agua . Velocidad a 1200 baudios por radio y mayores por cable.

DEVICENET

DeviceNet se cen t ra en la capacidad de in tercambio de los disposit ivos a ba jo costo, disposit ivos simples usados a menudo en aplicaciones en la industria como los switches, los sensores fotoeléct r icos, los a r rancadores del motor , los programas de lectura de clave de bar ras, los mecanismos impulsores var iables de la frecuencia, y los interfaces del operador.

Características: - Topología física de tipo Basic trunkline-dropline. - Hasta 64 direcciones de nodos en una sola red. - Comunicación pr ior izada peer-to-peer basado en el esquema de

arbitraje no destructivo de bits del protocolo CAN. - Modelo Producto-consumidor para transferencia de datos. - Distribución de señal y potencia por medio del mismo cable. - Inserción de disposit ivos sin necesidad de quita r la a limentación de la

red. - Diseño adicional opto-a islado ta l que los disposit ivos de potencia

externos puedan compar t ir el cable del bus con disposit ivos alimentados por el bus.

AS-i (Actuador Sensor - Interface)

Es un bus de sensores y actuadores binar io y puede conecta rse a dist in tos tipos de controladores lógico Programable (PLC), cont roladores numér icos o computadores (PC). E l sistema de comunicación es bididireccional en t re un maest ro y nodos esclavos. Está limitado hasta 100 met ros (300 met ros con un repet idor ) y pueden conectarse de 1 a 31 esclavos por segmentos.


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El maest ro AS-i in ter roga un esclavo por vez y para el máximo número ta rda en tota l 5 mseg. Es un protocolo abier to y hay var ios proveedores que suministran todos los elementos para la instalación. Const ituye un bus de muy ba jo costo para reemplazar el t radiciona l á rbol de cables en paralelo

ETHERNET INDUSTRIAL

La aceptación mundia l de E thernet en los en tornos indust r ia les y de oficina ha generado el deseo de expandir su aplicación a la plan ta . E thernet u t iliza el protocolo de enlace Carr ier Sense/Mult iple Access with Collision Detect ion . Transmite los paquetes de los da tos en una red. Cada nodo de la red de E thernet escucha dicha t ransmisión y ver ifica si es que está dest inada a ella . El nodo que cor responde a l direccionamiento de dest ino del paquete es el que responde. Si se detecta una colisión , el nodo det iene la t ransmisión e intenta nuevamente después de un período aleatorio determinado.

Es impor tante en tender que Ethernet define solamente la capa física y no el protocolo. Algunos ejemplos comunes de los protocolos de red usados para los sistemas de in formación de uso genera l son TCP/IP , NetBEUI, IPX/SPX, UDP, AppleTalk, SNMP, y LAT.

Ventajas: - Muchas corporaciones que u t ilizan Ethernet para sus sistemas del

negocio pueden aprovechar su infraest ructura existen te de E thernet t an to para negocios como para sistemas de au tomat ización en la fabricación.

- La mayoría de las PC t ienen a E thernet ya configurada , los sistemas operativos comunes trabajan con las tarjetas de Ethernet y TCP/IP.

- Los productos de E thernet se producen comercia lmente en volúmenes muy altos, que da lugar a costes más bajos.

- Usando subnets dedicados, se puede eliminar aplicaciones indust r ia les de la red del dominio de la colisión del t rá fico de ot ra red, mejorando así el determinismo eliminando t rá fico ext raño de aplicaciones críticas.

CAN (Control Area Network)

E l CAN es una red t ipo producto/consumidor , se pueden conecta r disposit ivos en un bus ser ia l común en t iempo rea l y de ba jo costo, disminuyendo el t rá fico del bus. Cualquier disposit ivo puede producir o envia r un mensaje a cua lquier otro dispositivo para su uso. Por lo tanto, es posible que un dispositivo auxiliar envia r la información directamente a ot ro disposit ivo auxilia r sin n inguna interacción de un ordenador principal o de un host.


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Se puede a lcanzar un cont rol más seguro debido a que los disposit ivos pueden envia r la in formación directamente a ot ros disposit ivos. Un ejemplo ú t il de esto es un sensor del impacto que se comunica directamente a l sistema del bolso del aire (airbag) en un automóvil.

E l cable del bus CAN también puede llevar la potencia para los disposit ivos del CAN, en caso de necesidad. Un máximo de 64 disposit ivos se puede conecta r con una red con una longitud de cable tota l que dependa de la velocidad usada. Las velocidades se extienden hasta 1 Mb/s.

FIELDBUS (FF - Foundation Fieldbus)

F ieldbus es un sistema de comunicación digita l bidireccional que permite la in terconexión en red de múlt iples inst rumentos directamente en el campo, rea lizando funciones de cont rol, monitoreo de procesos y estaciones de operación a través de un software de supervisión.

La tecnología de Fieldbus consiste en la capa física , la pila de las comunicaciones, y la capa del usuar io. El F ieldbus no pone las capas en ejecución 3, 4, 5, y 6 del modelo de OSI porque los servicios de estas capas no se requieren en una aplicación de control de proceso.

E l F ieldbus u t iliza dos capas físicas, H1 (31,25 kb/s) estandar izados por ISA/IEC (ISA S50.02-1992, IEC 1158-2) y HSE (Ethernet de a lta velocidad), que ejecu ta el mismo protocolo de Fieldbus a t ravés de redes E thernet de 10 o 100 Mb/s.

Características:

- Comunicación por medio de twisted-pair, y cableado 4-20 mA (H1) - Alimentación sopor tado por los mismos dos cables de la seña l,

eliminando la necesidad de fuentes de alimentación externas (H1) - Operación segura, un requerimiento para ambientes difíciles (H1) - Velocidad de transmisión de 10 or 100 Mb/s (HSE) - Basado en TCP/IP y Ethernet

Ot ra ca racter íst ica impor tan te de la capa de usuar io del F ieldbus es la descr ipción del disposit ivo. Una descr ipción del disposit ivo (DD) es una descr ipción estandar izada de las funciones disponibles en un disposit ivo. Usando la DD, el ordenador pr incipal en un sistema de cont rol (por ejemplo, los Windows NT-based HMI) puede obtener la in formación necesar ia para crear la in ter faz humana para in teractuar recíprocamente con el disposit ivo para configurar parámetros y para rea liza r la ca libración , el diagnóst ico, y otras funciones.


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Venta jas y Desventa jas: Las aplicaciones se pueden crear en el F ieldbus conectando jun tas las ent radas de información y las sa lidas de los bloques funciona les. Además de especifica r cómo estos bloques se comunican uno con otro a través del bus, el Fieldbus también especifica cómo programar el tiempo exacto en el cua l estos bloques se ejecu tan . Debido a la capacidad de in terconectar diversas funciones (incluso a lgor itmos de cont rol) que residen dent ro de los mismos disposit ivos, el F ieldbus del campo proporciona rea lmente arquitectura para dist r ibu ir el control en el campo más que concentrándolo en controladores centralizados.

PROFIBUS

PROFIBUS, el F ieldbus de sistema abier to pr incipal en Europa , se u t iliza por todo el mundo en la fabr icación , procesos y la au tomat ización de edificios. PROFIBUS se estandariza en el estándar DIN 19245 y en el estándar europeo EN 50170. La organización del PROFIBUS, con una membresía de más de 650 fabr ican tes, usuar ios, e inst ituciones de invest igación, desar rolla y administ ra tecnología de PROFIBUS. Diseñado para cumplir una ser ie de requisitos para aplicación, el PROFIBUS ofrece:

- Alta velocidad, t ransmisión de da tos t iempo cr ít ica en t re los controladores y los dispositivos de entrada-salida.

- Comunicaciones complejas entre controladores programables.

La familia de PROFIBUS consiste en t res versiones compat ibles DP, FMS, y PA.

PROFIBUS-DP : Se diseña para comunicaciones de a lta velocidad, costes ren tables en t re los cont roladores indust r ia les y la en t rada-sa lida dist r ibu ida ; puede sust itu ir la t ransmisión para lela de la señal por 24 V ó 0 a 20 mA. En una red de PROFIBUS-DP, un idades cen t ra les de proceso (por ejemplo PLCs o PCs) se comunican con disposit ivos dist r ibu idos de campo (por ejemplo la en t rada-salida, dr ives y las vá lvulas) a t ravés de un en lace ser ia l de a lta velocidad. Gran par te de la comunicación de da tos con estos disposit ivos dist r ibu idos ocur re de una manera cíclica . PROFIBUS-DP u t iliza las capas 1 y 2 y el in ter faz de usuar io. Las capas 3 a 7 del modelo de OSI no se definen.

PROFIBUS-FMS : Se diseña para la comunicación de uso genera l sobre todo en t re los controladores programables, t a les como PLCs y PC. El FMS cont iene una capa de aplicación con servicios de comunicación que permiten tener acceso a var iables, t ransmit ir programas, y cont rola r la ejecución de programas, así como t ransmit ir eventos. PROFIBUS-FMS define un modelo de la comunicación en el cua l procesos de aplicación dist r ibuida pueden ser un ificados en un proceso común usando relaciones de comunicación.


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PROFIBUS-PA : Diseñado específicamente para la au tomat ización de proceso, u t iliza la capa física estándar del fieldbus in ternaciona l (IEC 1158-2) para los sensores a limentados por bus y actuadores operados en á reas seguras. PROFIBUS-PA ut iliza el protocolo extendido de PROFIBUS-DP para la t ransmisión de da tos. Usando la capa física del IEC 1158-2, los disposit ivos de campo se pueden accionar a t ravés del bus. Los disposit ivos de PROFIBUS-PA se pueden in tegra r en redes de PROFIBUS-DP por con el uso de acopladores de segmento.

Entre otros protocolos también podemos citar los siguientes:

WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) Es una tecnología de sistema abier to que permite un Fieldbus en tiempo real, garantizando la estabilidad del sistema.

ControlNET Combina la funciona liad de una red peer -to-peer con una red de entrada/salida, brindando alta velocidad en las acciones de control.

InterBUS Protocolo que permite la transmisión de datos en lazos cerrados

LonWorks Br inda la posibilidad de aplicaciones comunes capaces de in tera r tuar entre sí.

LonMark Protocolo diseñado por LonMark Internacional.

Seriplex Permite la comunicación entre dispositivos inteligentes.

BACnet Protocolo de comunicaciones de da tos para edificios automat izados y redes de control.


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3. PROCESAMIENTO DE DATOS EN TIEMPO REAL

3.1. SISTEMAS EN TIEMPO REAL

Sistema en Tiempo Real (RT)

Un sistema en t iempo rea l es un sistema informát ico que In teracciona repet idamente con su entorno físico, respondiendo a los est ímulos que recibe del mismo dentro de un plazo de tiempo determinado, invariante y constante.

Para que el funcionamiento del sistema sea correcto no basta con que las acciones sean cor rectas, sino que t ienen que ejecu ta rse dent ro del in terva lo de tiempo especificado.

Un sistema de t iempo rea l debe de ser capaz de procesar una muest ra de señal antes de que ingrese al sistema la siguiente muestra.

Estos sistemas responden a est ímulos externos dent ro de un t iempo fin ito y especificado, configurando directamente el procesador del computador de forma ta l que la pr ior idad del sistema opera t ivo sea a tender las inst rucciones del software de t iempo rea l en los per íodos de t iempo determinados para ta l acción.

Sistemas Empotrados

Los sistemas de t iempo rea l suelen ser componentes de ot ros sistemas mayores, en los que rea lizan funciones de cont rol, toman datos de las ot ras partes del sistema mayor, ejecutan el algoritmo de control y envían las señales de cont rol a los elementos per t inentes del sistema mayor , en este caso, se dice que se trata de sistemas empotrados (embebidos). Los sistemas empot rados t ienen funciones especificas y defin idas, recursos limitados de memoria y potencia , por lo genera l la aplicación se ejecu ta desde ROM

Para modelar un sistema empotrado es necesario:

- Identificar los dispositivos y nodos propios del sistema. - Proporcionar señales visua les, sobre todo para los disposit ivos poco

usuales. - Modelar las relaciones en t re esos procesadores y disposit ivos en un

diagrama de despliegue. - Si es necesar io hay que deta lla r cua lquier disposit ivo in teligente,

modelando su est ructura en un diagrama de despliegue más pormenorizado.


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Un sistema embebido es un sistema informát ico de uso específico const ruido dent ro de un disposit ivo mayor . En una computadora por ejemplo se t iene la placa madre que es un conjunto de circuitos integrados que pueden agrupar la mayoría de componentes además de ot ras ta r jetas per ifér icas (video, modem, audio, etc.).

En genera l, se suele simplifica r toda la a rquitectura del ordenador o computadora para reducir el peso, t amaño, consumo de energía y los costos, sacrificando un poco de velocidad y flexibilidad.

Clasificación de los Sistemas RT:

Tiempo Rea l Duro (Hard Real Time): Es absolu tamente impera t ivo que la respuesta del sistema a eventos externos ocur ra dent ro del tiempo especificado. Por ejemplo, control de un reactor

Tiempo Real Suave (Soft Real Time): Se permite que se pierdan ocasiona lmente a lgunas especificaciones temporales, aunque el sistema debe cumplir las normalmente. Por ejemplo, reproducción de un CD.

Tiempo Real Rea l (Real Rea l Time): Es un t iempo rea l duro y además los tiempos de respuesta deben ser muy cortos.

Tiempo Real F irme (Firm Real Time): Es un t iempo rea l suave, y además el sistema no obt iene beneficios de la pérdida ocasiona l de especificaciones temporales.

Propietar ios (comercia les, acceso por pago) y Abier tos (modificables, estándares).

Centralizados (un sistema central de control) y Distribuidos (múltiples sistemas de control).

En un mismo sistema, median te se software se puede diferencia r etapas de compilación en tiempo real suave y duro.

Elementos de un Sistema RT:

Medición: Es el proceso de adquisición , monitoreo, u obtención de la información acerca del estado actual del proceso.

Control: E jecución del a lgor itmo de cont rol de acuerdo a los va lores medidos.

Actuación: Envío de seña les para a ltera r el estado actua l del elemento final de control.

Interfaz : Interfaces con de la PC con el operador


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Características de un Sistema RT:

Concurrencia : Quiere decir que estos sistemas se componen de un conjunto de actividades las cuales están realizándose en paralelo.

Dependencia del Tiempo: Se pueden ejecu ta r ta reas en respuesta a señales externas o periódicamente.

Fiabilidad y Tolerancia a Fa llos: Deben funcionar aún en presencia de fa llos o aver ías parcia les (normalmente median te elementos redundantes).

In teracción con el Hardware: Para su conexión con el exter ior . Interacciones activas y pasivas.

Manipulación de Números Rea les: Adquir idos de medidas del exter ior mediante interfaces.

Eficiencia: Es deseable una implementación eficiente.

Tamaño y Complejidad: Suelen ser grandes y por lo tan to es deseable usar técnicas modulares.

Requisitos de un Sistema RT:

Brindar fiabilidad: Se debe evitar los errores o fallas en el sistema.

Brindar segur idad: Solo persona l au tor izado debe ser capaz de en t ra r y modificar atributos del programa.

Ser concurren tes: Es decir que debe poder ejecu tar diversas acciones en forma paralela.

Ser in teract ivos: Deben ser capaces de maneja r her ramientas para manipular parámetros temporales.

Deben ser capaces de macerar dispositivos de entrada/salida.

3.2. SOFTWARE PARA SISTEMAS RT

Lenguaje de programación

Ensambladores: Son flexibles y eficien tes, pero poco su in ter faz de programación es poco amigable por lo que la programación es muy propensa a errores. Por ejemplo: Assembler, lenguaje de máquina, etc.

Lenguajes secuenciales: Son flexibles y de programación más sencilla , pero para rea liza r t a reas de t iempo rea l necesitan sopor te adiciona l del sistema operativo. Por ejemplo: C++, Pascal, Java, etc.


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Lenguajes concurrentes: Estos lenguajes están or ien tados a problemas de la vida rea l (enfoque orientado a objetos). Pueden ejecutar múltiples tareas paralelamente o concurrentemente. Por ejemplo: Ada, Modula II, Java, etc.

Sistemas Operativos

Un sistema opera t ivo en t iempo rea l (RTOS -Real Time Opera t ing System) es un sistema opera t ivo que ha sido desar rollado para poder u t iliza r la computadora en aplicaciones de tiempo real.

La mayoría de los sistemas opera t ivos rea lizan sus funciones a t ravés de las tareas:

- Gestión de procesos - Administración de la memoria - Organización de la E/S - Sistema de archivos

Para rea lizar sistemas de t iempo rea l se usan sistemas opera t ivos especia les que cumplan con los requisitos:

- Concurrencia - Temporización - Planificación determinista - Manejadores de dispositivos

Los RTOS más comunes son: LynxOS, QNX, RT-Linux, entre otros.

3.3. CONTROL EN TIEMPO REAL

El diseño de un cont rolador en t iempo rea l consiste en implementa r las funciones matemát icas cor respondien tes a l a lgor itmo de cont rol deseado, usando el software y el sistema opera t ivo RT adecuado para el proceso que se desea controlar.

Factores a tener en cuenta: - Concurrencia o para lelismo potencia l, es decir la ejecución de

múltiples procesos. - Escoger el software adecuado para la implementación del algoritmo. - Sincronización: Es la sa t isfacción de condiciones de in terdependencia

en la acción de diferentes procesos. - Comunicación entre procesos, dispositivos, y computadora.


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El sistema de cont rol respeta todos los componentes de un sistema de cont rol au tomát ica , con la diferencia que la adquisición de da tos, la ejecución del algoritmo de control, y el envío de señales al actuador, son realizados en forma periódica en base a interrupciones y ejecución simultánea de tareas.

También es impor tante conocer el proceso y la forma como in teractúa con su medio externo, puede ser:

- Independiente, no necesita comunicarse n i sincronizarse con ot ros procesos.

- Cooperante, se comunica y sincroniza sus act ividades con ot ros para realizar una tarea en común.

- Compet it ivo, t ambién necesita comunicación y sincronización para hacer uso adecuado de los recursos compartidos del sistema.

Para envia r y recibir da tos se necesita de in ter rupciones . Las in ter rupciones son la forma más común de pasar in formación desde el mundo exter ior a l programa. En un sistema de t iempo rea l estas in ter rupciones pueden informar diferen tes eventos como la presencia de nueva información en un puer to de comunicaciones, de una nueva muest ra de audio en un equipo de sonido o de un nuevo cuadro de imagen en una videograbadora digita l. Para que el programa cumpla con su cometido de ser tiempo real es necesario que el sistema a t ienda la in terrupción y procese la in formación obten ida an tes de que se presente la siguiente interrupción.

4. BUS DE COMUNICACIONES PARA INSTRUMENTACION

Las ta r jetas de adquisición de da tos se pueden conecta r a la computadora a t ravés de los puer tos ser ia l o para lelo de la PC, o por el puer to USB, o inser tándolo en uno de los slot s de la t a r jeta de madre, o median te un adaptador que acondiciones un puerto para hacerlo compatible con otro.


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El bus es un subsistema que t ransfiere da tos (señales eléct r icas digita lizadas) en t re componentes de la computadora , den tro de esta o hacia ot ras computadoras o dispositivos inteligentes. A diferencia de una conexión punto-a-punto, un bus puede conectar mediante lógica varios periféricos utilizando el mismo medio de comunicación.

Los buses pueden ser:

Bus de Datos: Transfiere (leer / escr ibir ) información en t re los dispositivos físicos o hardware.

Bus de Direcciones: Almacena da tos en la memoria duran te la ejecución de procesos de cómputo. Establece el número de ubicaciones o direcciones que puede alcanzar el microprocesador.

Bus de Control: E l Bus de Cont rol t ranspor ta señales de estado de las operaciones efectuadas por el CPU con las demás unidades.

Un slot es aquella ranura de expansión o puer to de expansión que permite conectar una tarjeta adicional en la tarjeta madre, estas tarjetas de expansión son insertadas incrementando las funciones de la computadora. Arquitectura

Bus de comunicaciones utilizados para insertar DAQs :

4.1. ARQUITECTURA ISA

Industry Standard Architecture (Arquitectura Estándar Industrial)

E l slot ISA es una a rquitectura de bus an t igua , u t ilizado en los procesadores In tel 8088 y In tel 80286 en adelan te, hasta que en el año 2000 fue reemplazada por la arquitectura PCI. Su color suele ser negro

Posee dos versiones: la versión de 8 bit s a lcanza una velocidad de 4.77 MHz y la ranura mide 8.5cm, la versión de 16 bits alcanza una velocidad de 8.33 Mhz y la ranura mide 14cm.

4.2. ARQUITECTURA PCI

Periphera l Component In terconnect (In terconexión de Componentes Periféricos)

E l slot PCI se t ra ta de un bus de ordenador estándar para conectar disposit ivos per ifér icos directamente a su placa base. Permite configuración dinámica de un disposit ivo per ifér ico. Proporciona una descr ipción deta llada de todos los dispositivos PCI conectados.


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Suele ser de color blanco. E l bus puede ser de 32 bits o 64 bit s. Tiene una tasa de t ransferencia máxima de 133 Mbytes por segundo. Posee un reloj de 33 Mhz.

Algunas modificaciones a la a rquitectura PCI es el PCI-Express. El cua l es un nuevo desarrollo del bus PCI que usa los conceptos de programación y los estándares de comunicación existentes, pero se basa en un sistema de comunicación serie mucho más rápido.

4.3. PUERTO USB

Universal Serial Bus (Bus serial universal)

Es un bus de comunicación t ipo ser ia l, t iene un diseño asimét r ico, que consiste en un solo servidor y múlt iples disposit ivos conectados en una est ructura de á rbol u t ilizando concentradores especia les. Se pueden conectar hasta 127 dispositivos a un solo servidor.

E l estándar incluye la t ransmisión de energía eléct r ica a l dispositivo conectado. Algunos disposit ivos requieren una potencia mín ima, así que se pueden conectar varios sin necesitar fuentes de alimentación extra.

Mejora r las capacidades plug-and-play (habilidad de poder insta la r y desinsta la r disposit ivos) permit iendo que los disposit ivos puedan ser conectados o desconectados a l sistema sin necesidad de rein icia r , cuando se conecta un nuevo disposit ivo, el servidor lo enumera y agrega el software necesario para que pueda funcionar.

Una extensión del USB llamada "USB-On-The-Go",

permite a un puer to actuar como servidor o como disposit ivo - esto se determina por qué lado del cable esta conectado al aparato. Incluso después de que el cable está conectado y las unidades se están comunicando, las 2 unidades pueden "cambiar de papel" bajo el control de un programa.

Ot ra extensión es el Wireless USB (WUSB),

que busca combinar la velocidad y la segur idad de la tecnología basada en cables con la facilidad de uso de la t ransferencia ina lámbr ica de da tos. WUBS ofrece un ancho de banda de 480 Mb/seg a tres metros de distancia y 100 Mb/seg a 10 metros.

4.4. PUERTO PCMCIA

Personal Computer Memory Card In terna t iona l Associa t ion (Asociación Internacional de Tarjetas de Memoria para Computadoras Personales)


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El puer to PCMCIA es u t ilizado para inser ta r ta r jetas del estándar PCMCIA (desar rollado por una asociación in ternacional de fabr ican tes de hardware para computadoras por tá t iles). El puer to es empleado en las computadoras por tá t iles para expandir las capacidades de memor ia , red, captura de video, ampliar puertos, etc.

Las ta r jetas PCMCIA de 16 bit s pueden recibir el nombre de PC Card y las de 32 bits el de CARD BUS.

4.5. ARQUITECTURA CompactPCI (cPCI)

Se tra ta del bus PCI adaptado a aplicaciones embebidas y/o indust r ia les. Es compat ible elect rónicamente con PCI y cuenta con componentes mecánicos y tecnologías de conexión de estándar industrial.

Las ta r jetas cPCI están basadas en el estándar indust r ia l Eurocard, en tamaños de 3U y 6U. E l 3U es el t amaño mínimo para cPCI y t iene lo necesar io para acomodarse a l bus cPCI de 64 bit s. La extensión 6U se define para cuando se requiera mas espacio en la placa o se necesiten mas espacio para conexiones.

E l diseño del conector es una de las ca racter íst icas más impor tan tes de esta arquitectura , se numeran J 1

J 5 comenzando desde el conector de más aba jo. La especificación define la loca lización para todos estos conectores pero la asignación de señal de los pines solo para J1 y J2.

Su función es la de fija r con firmeza la t a r jeta en su base y habilit a r la conexión de alimentación de energía, el sistema de tierras y conducir todas las señales PCI de 32 y 64 bit s. E l diseño del conector t ambién permite que se pueda u t iliza r componentes cPCI en ambientes con grandes in terferencias electromagnét icas, y se eviten fa lsos contactos cuando el sistema se encuent re sujeto a vibraciones.

4.6. ARQUITECTURA PC/104

La arquitectura PC/104 ó PC104 es un estándar de ordenador embebido que define el formato de la placa base y el bus del sistema. A diferencia de la clásica a rquitectura ATX y bus PCI que son usados en la mayor ía de los ordenadores personales, el PC/104 está diseñado para aplicaciones específicas, como adquisición de datos o sistemas de control industrial.

La a rquitectura de la placa base no es la t ípica placa de circuitos in tegrados (backplane) en el que van inser tados los componentes; en lugar de eso, los componentes se encuentran en módulos que son apilados unos encima de otros.


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El tamaño estándar es de 90.17 mm × 95.89 mm. La a ltu ra depende del número de módulos conectados.

4.7. PUERTO SERIAL Y PUERTO PARALELO

El puer to ser ia l

es una in ter faz de comunicaciones en t re la computadora y los

disposit ivos per ifér icos, en donde la in formación es t ransmit ida bit por bit , enviando un solo bit a la vez en forma secuencia l, siguiendo un protocolo de transmisión / recepción definido.

Los puertos seriales más comunes son:

El RS-232, u t ilizado para el envió de da tos binar ios, consta de dos h ilos en comunicación ha lf duplex. Tiene dos versiones, una de 25 pines que emplea un conector tipo DB-25, y otra versión de 9 pines que emplea un conector tipo DB-9.

El RS-485 (EIA-485), es parecido a l RS-422, pero solo usa 2 h ilos en comunicación half duplex. Es posible adaptarlo al RS-232

El RS-422 (EIA-422), consta de 4 h ilos con t ransmisión full duplex y línea diferencia l. La comunicación diferencia l permite una mayor velocidad que el RS-232 permit iendo hasta 10Mbits/s. Permite que la PC controle por el mismo bus hasta 10 dispositivos.

E l puer to para lelo

es una in terfaz en t re un ordenador y un per ifér ico cuya principal característica es que los bits de datos viajan juntos enviando un byte completo o más a la vez. Es decir, se implementa un cable o una vía física para cada bit de datos formando un bus.

Aplicando el Estándar IEEE 1284-1994, se consigue una comunicación de a lta velocidad y bidirecciona l en t re la PC y los disposit ivo externos, en modalidad half duplex.

E l puer to para lelo puede t raba ja r en modo EPP (Puer to Para lelo Extendido) o en modo ECP (Puer to de Capacidades Extendidas). E l modo adecuado para conectar tarjetas de adquisición de datos es el EPP.

4.8. IEEE-488 GPIB

General Purpose Interface Bus (Bus Interfase para Propósitos Generales)


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La empresa Hewlet t -Packard en 1965 diseñó la in terfaz HP-IB (Hewlet t -Packard In ter face Bus) para conecta r su línea de inst rumentos programables a sus computadoras. Debido a su a lta velocidad de t ransferencia nomina l (1Mbyte/s), este bus incrementó su popula r idad rápidamente. A los diez años de su creación, este bus fue aceptado como estándar (IEEE-488).

Con el fin de mejora r el bus an ter ior , HP elaboró en 1987 un nuevo estándar , el ANSI/IEEE 488.2, que incorporaba una defin ición precisa del protocolo de comunicaciones en t re inst rumentos y PC. El estándar IEEE 488.2 define los formatos de datos, el protocolo de intercambio de mensajes entre controlador e instrumento, las secuencias de control y la información de estado.

La empresa Nat ional Inst ruments decidió expandir el uso del bus IEEE 488 a ordenadores fabr icados por ot ras firmas median te la inclusión de la cor respondien te ta r jeta o módulo a modo de in ter faz en t re el ordenador y los inst rumentos a cont rola r . Esta empresa otorgó a l bus la denominación GPIB (General Purpose Interface Bus)

E l número máximo de equipos in terconectables es de 15 inst rumentos conectados a un solo cont rolados, proporcionando una comunicación para lela de 8 bits.

La longitud máxima de t ransmisión sobre cables de in terconexión es de 20 met ros, con un límite de 4 met ros en t re dos disposit ivos cua lesquiera . La velocidad máxima de t ransmisión de da tos es de 1 Mbyte/s, y para la seña l de control es de 350 Kbytes/s.

La conexión de los equipos al bus GPIB se hace mediante una topología de bus de línea compar t ida , es decir , compar t iendo las líneas de la seña l. Se pueden envia r mensa jes dir igidos a l in terfaz (mensa jes de cont rol de in terés genera l) y mensa jes dir igidos a l inst rumento (comando específicos de cada instrumento).

Los disposit ivos GPIB se conectan , t ípicamente, median te un cable apanta llado que consta de 24 conductores, cor respondien tes a 16 líneas de señal y 8 t ier ras (6 pares t renzados para : DAV, NRFD, NDAC, IFC, SRQ y ATN; una masa analógica y otra digital). Las líneas de señal van asociadas a 8 líneas de da tos, 3 líneas de handshake (protocolo) para el cont rol asíncrono de la t ransferencia de bytes, a fin de obvia r er rores de t ransmisión y 5 líneas de gest ión del flu jo de in formación a t ravés de la interfaz (para la comunicación entre el controlador y el resto de dispositivos).

Los equipos conectados a l bus, deben ser capaces de, en unas ocasiones, transmitir la información (talker), y en otras, recibirla (listener). El encargado de indicar la función de los inst rumentos en cada momento es el cont rolador (controller) del sistema a través del direccionamiento.


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A fin de combinar a l IEEE 488.2, el lengua je de sistemas para test y medida (TMSL) de Hewlet t -Packard y el formato de in tercambio de da tos analógicos (ADIF) de Tekt ronix, en 1990 se elaboró el ú lt imo gran estándar de la indust r ia de la inst rumentación , el SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments).

E l nuevo lengua je SCPI simplificó la programación de los inst rumentos, tan to a fabr ican tes como a usuar ios fina les, a l no tener que conocer diferen tes conjuntos de inst rucciones según el t ipo de inst rumento. Estos son in tercambiables en t re líneas de producción y en t re fabr icantes, por lo que el mantenimiento también es mucho más simple.

4.9. BUS VXI

VME eXtensions for Inst rumenta t ion (Extensiones de VME para Instrumentación)

La in terfaz VXI se presenta como una pla taforma que a pr ior i combina lo mejor de los sistemas basados en tarjetas de adquisición de datos (velocidad) y de los sistemas GPIB (facilidad de uso, en t re ot ros) incorporando nuevos a licien tes ta les como menor coste que GPIB, menor tamaño, mayor precisión en la tempor ización y sincronización , u t ilización de un backplane (placa madre) basado en el bus de Motorola VME, así como mayor facilidad de programación.

Posee una arquitectura multiprocesador, modular y fácilmente reconfigurable, posee her ramientas est ilo GPIB, con velocidades de t ransferencia elevadas y capacidad de memoria compar t ida , de forma que facilit a la adquisición y procesado de múltiples canales en tiempo real.

Puede cont rolar hasta 256 disposit ivos incluidos en uno o más subsistemas, cada subsistema puede tener hasta 13 módulos. Funciona a 32 bit s, a una velocidad de 132Mb/sec.

E l VXI usa un chasis pr incipal (rack de expansión) con un máximo de 13 slot s para a lbergar inst rumentos modulares sobre ta r jetas. Al esta r sopor tadas todas las t a r jetas-inst rumentos en un backplane (placa madre) VME, también se pueden usar t a r jetas o módulos VME en los sistemas VXI. La PC esta rá dotada de una placa a modo de interfaz que permitirá comunicarse con el rack que cont iene las t a r jetas VXI para seleccionar un inst rumento, asignar le su función (emisor, receptor) o simplemente, conocer su estado.


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4.10. OTRAS ARQUITECTURAS Y BUSES

VMEbus

Es un bus de comunicaciones para computadoras basado en el estándar de tamaños de la Eurocard, fue desarrollado por Motorota para aplicaciones industriales.

CAMAC

(Computer Automated Measurement and Control) Es un bus concebido para adquisición de da tos y cont rol, u t ilizado en la industria. Puede ser utilizado en una red de fibra óptica.

IrDA

(Infrared Data Association) Median te los estándares IrDA es posible t ransmit ir y recibir in formación median te rayos infra r rojos. Sopor tan una amplia gama de disposit ivos eléct r icos, in formát icos y de comunicaciones, permite la comunicación bidireccional en t re dos ext remos a velocidades que oscilan en t re los 9.600 bps y los 4 Mbps.

OPC

(OLE for Process Control) Es un estándar de comunicación en el campo del cont rol y supervisión de procesos. Permite que diferen tes fuentes de da tos envíen da tos a un mismo servidor OPC, a l que a su vez podrán conecta rse diferentes programas compat ibles con dicho estándar . De este modo se elimina la necesidad de que todos los programas cuenten con dr ivers para dia logar con múlt iples fuentes de datos, basta que tengan un driver OPC.

Bluetooth

Es un conjunto de normas que definen un estándar global de comunicación ina lámbrica que posibilita la t ransmisión de voz y da tos ent re diferentes equipos mediante un enlace por radiofrecuencia.


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PXI

(PCI eXtensions for Instrumentation) Es una pla ta forma diseñada por Nat ional Inst ruments, basada en la a rquitectura CompactPCI, diseñada para equipos de medición elect rónicos, sistemas de au tomat ización , computadoras indust r ia les. Posee un software propio para el manejo del sistema.

FireWire

El IEEE 1394 o FireWire o i.Link es un estándar mult ipla ta forma para en t rada /sa lida de da tos en ser ie a gran velocidad. Suele u t iliza rse para la interconexión de dispositivos digitales


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Capítulo VI

HARDWARE Y SOFTWARE PARA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

1. HARDWARE PARA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

1.1. COMPUTADORAS INDUSTRIALES

Las especificaciones que se pueden encont ra r son la a rquitectura , modelo de procesador , velocidad, disco duro, memoria , puer tos de comunicaciones, software, fuente de a limentación , capacidad de expansión, t a r jetas de adquisición de da tos inclu idas, modelo físico, dimensiones, peso, servicio técnico, garantía, accesorios y periféricos, etc.

Las especificaciones técn icas para las PCs comunes son simila res a las computadoras servidor , con la diferencia de que son menos poten tes tecnológicamente.

Se pueden tener diferentes tipos de PCs, por ejemplo:


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Computadoras Servidor Industriales para montaje en racks (tableros, paneles,

ranuras)

Computadoras Industriales para montaje en racks (tableros, paneles, ranuras)


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Laptop Industrial

Mini Computadoras y/o PC modelo Box (cuadrado)


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Computadora-Panel (pantalla touchscreen)


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Accesorios (monitor, teclado, cables, etc.)

1.2. PUERTOS DE COMUNICACIONES

Se puede tener ta r jetas de expansión para incrementa r el número de puer tos para lelos y/o ser ia les, por lo genera l se colocan en slot s PCI, pero existen diversas combinaciones. En las especificaciones podemos tener el t ipo de bus


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de comunicaciones que acepta , la can t idad de sa lidas, ca racter íst ica plug-and-play, sistema opera t ivo, respuesta a condiciones ambienta les, adaptabilidad, etc.

Puertos Paralelos EPP

Puerto Serial RS-232

Conversor de USB a RS-232


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RS-232 para puerto PCMCIA

Ethernet + RS-232

Puerto GPIB


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Puerto Serial + Puerto Paralelo

Puerto Serial RS-422 / RS-485

RS-422/485 para puerto PCMCIA


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RS-422/485 para puerto cPCI

Convertidor RS-232 a Fibra Óptica

Multipuerto


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Multipuerto

Inalámbrico

1.3. SENSORES Y DAQs

La combinación de un sensor con su propia ta r jeta de adquisición de da tos brinda un acondicionamiento de seña l y ca lidad de da tos obtenidos, que superan a los datos recogidos con instrumentos independientes.

La desventa ja es que no existe flexibilidad puesto que el paquete esta diseñado para trabajos muy específicos.


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Entre las especificaciones técnicas podemos cita r , el t ipo de sensor , la var iable física a medir , el bus de comunicación a la PC, fuente de a limentación, software de adquisición , a la rmas, además de las especificaciones propias del tipo de sensor.

Como ejemplos de sensores cuya sa lida se conecta directamente a una DAQ tenemos los siguientes:

Acelerómetros

Humedad

Celda de carga

Presión

Proximidad (ultrasonido, infrarojo)


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RTDs, Termocuplas

Nivel

Flujo

pH


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1.4. TARJETAS DE ADQUISICIÓN

Cuando se t ra ta de modelos de ta r jetas de adquisición de da tos, estas existen en todas las formas y casi para todas las aplicaciones posibles.

Se pueden ca ta logar por el t ipo de bus de comunicaciones (USB, PXI, PCI, ISA, PCMCIA, etc.), por el t ipo de sistema opera t ivo (Windows, Linux, Mac, etc.), por el t ipo de computadora donde se conecta rá (PC indust r ia l, PC normal, pocket PC, etc.), por ca racter íst icas ta les como número y t ipo de cana les de en t rada / sa lida , contadores, t imers, memoria , compat ibilidad, funcionabilidad, etc., de acuerdo a l t ipo de sensor o da to medido que será recibido (termocuplas, acelerómet ros, manómetros, etc.), o simplemente pueden ser ca ta logadas según el modelo dispuesto por cada fabr icante, en t re otras.


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1.5. DISPOSITIVOS ADICIONALES

Podemos tener elementos adicionales ta les como acondicionadores de señal, conversores A/D, fuentes de a limentación , borneras, modem ina lámbr ico, cables, conectores, armarios, tableros, leds, etc.


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Acondicionadores de Señal

Modem Inalámbrico


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Conversores A/D

Fuente de Alimentación

Borneras


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2. SOFTWARE PARA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

Software es aquel componente in tangible que permite el funcionamiento de una computadora , es un conjunto de programas, a lgor itmos y procedimientos necesarios para hacer posible la realización de una aplicación informática.

Un software para inst rumentación vir tua l será aquel conjunto de programas cuya aplicación informát ica es la de adquir ir , procesar , ana lizar , a lmacenar, visualiza r , da tos provenien tes de campo tomados por hardware de inst rumentación vir tua l. Permit iendo desar rolla r sistemas de cont rol, supervisión y automatización.

Existe una extensa lista de compañías fabr ican tes de software para adquisición de da tos, los pr incipales podr ían ser CyberTools, DasyLab, LabView y Mat lab Simulink, por su compat ibilidad con ot ros fabr ican tes, su variada gama de aplicaciones, y su extensa popularidad.

2.1. CYBER TOOLS

Este paquete es un conjunto de her ramientas para desar rollo de sistemas de cont rol y monitoreo con PCs en entorno Windows, desar rollado por SCM International.

CyberTools es una her ramienta flexible y poderosa para la implementa r sistemas de recolección y manejo de da tos. Les permite a cien t íficos, ingenieros, invest igadores, t écn icos y demás in teresados, automat iza r las t a reas de captura de da tos, mediciones au tomát icas, o cont rol de procesos por medio de programación amigable en un en torno or ien tado a objetos y de programación visual de pantallas y paneles, en entorno Windows.


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Entre los paquetes que conforman este software tenemos:

Cyber View: Es una her ramienta para la programación visua l de ventanas de in terfase y monitoreo para desar rolla r aplicaciones de instrumentación virtual.

MicroLab: Permite elaborar ventanas de osciloscopio, regist radores, a lmacenamiento y ext racción de da tos, bloques de adquisición de datos. Permite editar sus propios controles, paneles, listas, etc.

Dbase Cyber Tools: Permite acceder a bases de da tos por medio de comandos SQL, pudiendo actua liza r , leer , eliminar , buscar y ot ras operaciones mas sobre regist ros y campos de bases de da tos. Posee dos clases de bloques: de entrada para escribir un comando de selección de a rch ivo, regist ro y condiciona les y el da to cor respondien te a l campo seleccionado será puesto a la sa lida del bloque; y de sa lida para seleccionar el campo a actua liza r y au tomát icamente este será actualizado con el valor presente a la entrada del bloque.

Cyber Tools Repor ter : Permite genera r regist ros para luego importarlos a alguna planilla de cálculos, como ser Excel.

IPControl: Desar rolla ra sistemas que podrán ser monitoreados desde In ternet o in t ranet . Combinado con ot ros opciona les se convier te en una gran her ramienta para cont rol indust r ia l, medicina , control de la producción , demót ica , sistemas de segur idad, etc. Cua lquier var iable del sistema podrá estar disponible en una página del servidor a l acceso de los usuar ios que podrán acceder a la misma por medio de links desde otras páginas o sitios.

Cyber Comm: Permite convertir la PC en una estación de mediciones y adquisición de da tos asincrónicos. Permite crear bloques para consulta r cont roladores, microcont roladores, inst rumenta l, modems, etc. Implementa r sistemas que requieran comunicación con ot ros disposit ivos con t ransmisión de da tos en forma ser ia l, pudiendo ser estas del t ipo: punto a punto o Netware. En ambos casos el usuar io configurara protocolos para t ransmisión de da tos, consulta au tomát ica


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a cont roladores, administ ración y consulta de disposit ivos conectados en red.

Cyber Comm para PLCs: Permite cont rola r , monitorear , modifica r y consulta r : ent radas, sa lidas, reles, t imers, contadores, secuenciadores, etc., de la línea de PLCs del fabricante.

Cyber Comm MiniSSC: Permite rea lizar mediciones de campo, leer secuencias de disco, genera r sistemas de decisión lógica , in tegro diferencia les, leer seña les de campo, y componer todo ello en un sistema que in teraccione con servomotores y ot ras aplicaciones del fabricante.

2.2. DASYLAB

Es una her ramienta de aná lisis gráfico in teract ivo que permite desar rolla r aplicaciones de adquisición , cont rol, simulación y regist ro; es desar rollada por DasyLab Inc.

La programación es simple, seleccionando módulos de funciones deseados y posicionándolos en el entorno de t raba jo, poster iormente se configuran ta reas y se enlazan los módulos. También permite in tegración con Mat lab, Excel, y otras aplicaciones de Windows.


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DASYLab es lo suficien temente flexible para cubr ir cua lquier necesidad, más de 250 ta r jetas y sistemas de adquisición de da tos son sopor tados usando dr ivers especia les. Ut iliza el protocolo TCP/IP . Puede in tercambiar da tos con bases de da tos compat ibles con ODBC. Usa Módulos DataSocket Impor t y Export para comunicarse con cualquier Servidor OPC en una red.

Permite a ltas velocidades de muest reo, con el hardware apropiado, los da tos pueden ser adquir idos a más de 1 MHz y ser desplegados cont inuamente a más de 200 KHz (dependiendo de la pla ta forma de hardware). E l almacenamiento de valores a alta velocidad es posible usando la característica de adquisición a disco de DASYLab. Si el sistema posee cont roladores lo suficientemente rápidos, las velocidades de t ransferencia hacia el disco duro pueden a lcanzar más de 200 KHz., se puede a lmacenar hasta 512 cana les en el mismo archivo.

Es posible desplegar mensa jes de estado dependiendo del va lor actua l (low/h igh). Estos pueden ser texto o imágenes bitmap. Se puede usar cua lquier bitmap como símbolo de estado. Se puede elegir libremente colores de fondo, texto, display y símbolos luminosos de estado, es decir , el clien te diseña su propia pantalla a su gusto.


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Esta disponible en 4 ediciones:

DasyLab Light : Cont iene las funciones básicas para la adquisición y representación de datos.

DasyLab Basic: Incluye funciones matemát icas, estadíst icas, y módulos de control.

DasyLab Full: Proporciona nuevos bloques que permiten au tomat iza r las medidas y realizar tareas de análisis.

DasyLab Professional: Agrega funciones de red, análisis de frecuencia, amplitudes, generador de setpoints, etc.

Dispone de los siguientes módulos de extensión:

Analysis Toolkit : Cont iene un grupo de módulos or ientados a l aná lisis de señales en el dominio de la frecuencia , funciones de t ransferencia , filtros, cálculos de energía de la señal, etc.

Sequence Genera tor : Proporciona las her ramientas necesar ias para la creación de señales para aplicaciones de cont rol, curvas, rampas, y ondas en general.

Driver Toolkit : Permite desar rolla r aplicaciones de captura de da tos, pa ra ello se suminist ran las APIs completas con las que se puede desarrollar drivers propios mediante Microsoft C.

Extension Toolkit : Permite desar rolla r nuevos módulos u t ilizando Microsoft C.

Net Opt ion : Son módulos de comunicación de red que permiten transferencia de datos entre aplicaciones DasyLab vía TCP/IP.

Impact of Vibra t ions: Conjunto de Secuencias y funciones para análisis del impacto vibracional generado sobre el cuerpo humano.

Acoustics: Conjunto de Secuencias y funciones para análisis de acústica y sonido


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2.3. LABVIEW

LabVIEW (Labora tory Vir tua l Inst rument Engineer ing Workbench) es un lengua je de programación gráfico diseñado por Nat iona l Inst ruments, pa ra el diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control.

Labview permite diseñar in ter faces de usuar io median te una consola in teract ivo basado en software. Es un sistema de programación de propósito genera l con librer ías y funciones para diversas ta reas. En par t icu la r incluye librerías para:

- Adquisición de Datos. - GPIB - Control serial de Instrumentos. - Análisis de Datos. - Presentación de Datos. - Almacenamiento de Datos

Posee un entorno de programación dest inado a l desar rollo de aplicaciones, simila r a los sistemas de desar rollo comercia les que u t ilizan el lengua je C o Basic. Sin embargo, se diferencia de dichos programas en un impor tante aspecto: los citados lengua jes de programación se basan en líneas de texto para crear el código fuente del programa, mient ras que LabView, emplea la


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programación gráfica o lengua je G para crear programas basados en diagramas de bloques.

Una de sus pr incipa les aplicaciones es en sistemas de medición , como monitoreo de procesos y aplicaciones de control, un ejemplo de esto pueden ser sistemas de monitoreo en t ranspor tación , Labora tor ios para clases en universidades, procesos de control indust r ia l. Es muy u t ilizado en procesamiento digita l de señales, procesamiento en t iempo rea l, para aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes y audio, au tomat ización , diseño de filtros digitales, generación de señales, entre otras.

Posee bibliotecas listas para ser u t ilizadas con el objeto de in tegra r inst rumentos au tónomos, equipos de adquisición de da tos, productos para el cont rol de movimientos y de visión , inst rumentos GPIB/IEEE 488 y ser ie RS-232 y PLCs, en t re ot ros, lo cual permite const ruir una solución completa de medición y automatización.


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También t iene incorporadas las más impor tantes normas de inst rumentación , tal como VISA, una norma que permite la operación entre instrumentos GPIB, serie y VXI; PXI y software y hardware basados en la norma PXI Sistems Alliance CompactPCI; manejadores de instrumentos virtuales intercambiables IVI y VXIplug&play, que es un manejador para la norma que r ige la instrumentación VXI.

Un gran número de fabr ican tes de hardware y software desar rollan y mant ienen centenares de bibliotecas para Labview y manejadores de inst rumentos que le ayudan a u t ilizar fácilmente sus productos con este. Sin embargo, esa no es la ún ica manera de proveer conect ividad aentre las aplicaciones, t ambién ofrece maneras simples de incorporar programas en Act iveX, bibliotecas dinámicas (DLLs) y bibliotecas compar t idas de ot ras herramientas.

Corre en Windows 2000, NT, XP, Me, 98, 95 y NT embebido as í como también sobre Mac OS, Sun Sola res y Linux. También es capaz de compila r código que cor ra en el sistema opera t ivo de t iempo rea l VenturCom ETS a t ravés del módulo Real-Time.

Dada la impor tancia de los sistemas Legacy, Nacional Inst ruments cont inúa poniendo a disposición versiones más an t iguas de Labview para los sistemas opera t ivos Windows, Mac OC y Sun. Es independien te de la pla ta forma seleccionada : los inst rumentos vir tua les que se crean en una pla taforma pueden ser t ranspor tados de manera t ransparen te a cua lquier ot ra plataforma simplemente abriendo y corriendo el programa.

Elementos principales del software

Panel Frontal:

Es la panta lla donde se hace una representación grá fica de los elementos físicos rea les, fundamenta lmente combinando elementos indicadores y de control.

Los cont roles simulan los disposit ivos de en t rada de un inst rumento y proporcionan los datos al diagrama de bloques del VI.

Los indicadores simulan los dispositivos de salida de un instrumento y muest ran los da tos adquir idos o generados por el diagrama de bloques.

Las funciones de Indicador y Cont rol pueden ser in tercambiados a t ravés de comandos del menú, cada elemento elegido debe tener un nombre (et iqueta) para ser identificado en la ventana de funciones.


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Diagrama de Bloques (Funciones):

Esta ventana cont iene el diagrama de bloques del a lgor itmo que se esta programando, es decir es código fuente grá fico de Labview. E l diagrama de bloques es una solución ilustrada a un problema de programación.

E l diagrama de bloques se const ruye uniendo ( cableando ) objetos que reciben o envían da tos, rea lizan una función específica y cont rolan el flu jo de la ejecución del programa.

Iconos y Conectores:

Son usados para crear nuevos iconos personalizados, en rea lidad un icono representa un subprograma en el diagrama de bloques del programa principal. Los conectores son líneas (cables).


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Programación

La programación se lleva a cabo u t ilizando código G (gráfico), consta de un panel frontal y un panel de código como se menciono antes.

En el panel fron ta l es donde se diseña la in terfaz de usuar io y se ubican los controles e indicadores.

En el diagrama de bloques se encuent ran las funciones. Cada cont rol que se u t iliza en la in ter faz de usuar io t iene una representación en el panel de funciones.

Los indicadores necesar ios para en t regar la información procesada a l usuar io t ienen un icono que los ident ifica en el panel de funciones. Los controles pueden ser booleanos, numér icos, st r ings, un a r reglo mat r icia l de estos o una combinación de los anter iores; y los indicadores pueden ser como para el caso de cont roles pero pudiéndolos visualiza r como tablas, gráficos en 2D o 3D, browser, entre otros.

Las funciones pueden ser programas prediseñados y que pueden ser reu t ilizados en cua lquier aplicación , estos bloques funciona les constan de en t radas y sa lidas, igual que en un lengua je de programación estándar las funciones procesan las en t radas y en t regan una o var ias sa lidas. Estos pueden también estar conformados de ot ros subprogramas y así sucesivamente.


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Funcionabilidad

Existen funciones prediseñadas para adquisición de da tos e imágenes, de comunicaciones, de procesamiento digita l de señales, de funciones matemát icas simples, hasta funciones que u t ilizan ot ros programas como Mat lab o HiQ para resolver problemas, ot ras mas complejas como "nodos de formula" que se u t ilizan para la resolución de ecuaciones editando directamente estas como en lengua jes de programación t radiciona les y definiendo las entradas y las salidas.

También se puede u t ilizar para grafica r en t res dimensiones, en coordenadas pola res y ca r tesianas, t iene disponibles her ramientas para aná lisis de circu itos RF como la Car ta de Smith , t iene aplicaciones en manejo de audio y se puede comunicar con la t a r jeta de sonido de la computadora para trabajar conjuntamente.

Ent re sus muchas funciones especia les se encuentran las de procesamiento de imágenes, como captura r una imagen a t ravés de una ta r jeta de adquisición , analizarla (como si fuera una señal recogida por un sensor) y poder enlazar los datos con sistemas de automatización.

Flujo de Datos

Ot ra ca racter íst ica se encuent ra en el flu jo de da tos, que muest ra la ejecución secuencia l del programa, es decir , una ta rea no se in icia hasta no tener en todos sus var iables de en t rada información o que las t a reas predecesoras hayan terminado de ejecutarse.

Debido a l lengua je grá fico el compilador es más versá t il y amigable ya que sobre el mismo código de programación se puede ver fácilmente el flu jo de datos, así como su contenido.

Estructuras y Subdiagramas

Las est ructuras se compor tan como cua lquier ot ro nodo en el diagrama de bloques, ejecu tando au tomát icamente lo que está programado en su in ter ior una vez que tiene disponibles los da tos de en t rada , y una vez ejecu tadas las inst rucciones requer idas, suminist ran los cor respondien tes va lores a los cables unidos a sus salidas.

Un subdiagrama es una colección de nodos, cables y terminales situados en el interior del rectángulo que const ituye la est ructura . El For Loop y el While


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Loop únicamente t ienen un subdiagrama. E l Case St ructure y el Sequence Structure pueden tener múltiples subdiagramas superpuestos.

Los subdiagramas se const ruyes del mismo modo que el resto del programa, cada est ructura ejecu ta su subdiagrama de acuerdo con las reglas específicas que rigen su comportamiento, y que se especifican a continuación:

Case St ructure: La est ructura Case t iene a l menos dos subdiagramas (True y Fa lse). Únicamente se

ejecuta rá el conten ido de uno de ellos, dependiendo del valor de lo que se conecte al selector.

Sequence St ructure: Pr imero ejecu ta rá el subdiagrama de la hoja (frame) número cero, después el subdiagrama de la hoja número uno, y así sucesivamente.

For Loop: Es el equiva len te a l bucle for en los lenguajes de programación convenciona les. E jecuta el código dispuesto en su interior un número determinado de veces.

While Loop: Es el equivalente al bucle while empleado en los lenguajes convenciona les de programación. Se mant iene act ivado mientras una condición se esté cumpliendo.

Formula Node: Se emplea para in t roducir en el diagrama de bloques fórmulas de un modo directo, donde el usuar io programa su propio algoritmo. También existe un bloque de formula para en lazar y programar en código de Matlab y HiQ.


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2.4. MATLAB SIMULINK

Simulink es un paquete desar rollado por The MathWorks Inc., que se ejecu ta acompañando a Mat lab (par te gráfica ) para modela r , simular y analiza r sistemas dinámicos. Es sopor tado en ambientes como Unix, Macin tosh y Windows.

En simulink los sistemas son dibujados en panta lla como diagrama de bloque, t a les como funciones de t ransferencia , sumadores, uniones, etc., a sí como ent radas y sa lidas vir tua les de apara tos ta les como generadores, volt ímet ros, osciloscopios.

Posee una in ter faz de usuar io grá fica (GUI), con diagramas de bloques para const ruir los modelos u t ilizando operaciones con el ra tón del t ipo pulsa r y a r rast ra r . De esta forma, se puede dibuja r los modelos de la misma forma que se har ía con lápiz y papel. Una vez const ru idos los diagramas de bloques, se puede ejecuta r simulaciones y analiza r los resultados, t ambién de forma gráfica.

Cuenta con dos fases de uso:

La defin ición del modelo, que sign ifica const ru ir el modelo a par t ir de elementos básicos const ru idos previamente, t a l como, in tegradores, bloques de ganancia, etc.

El aná lisis del modelo, que sign ifica rea liza r la simulación, linea lización y determinar el punto de equilibr io de un modelo previamente definido.


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Simulación de Sistemas

Puede simular cua lquier sistema que pueda ser defin ido por ecuaciones diferencia les cont inuas y ecuaciones diferencia les discretas. Esto significa que se puede modela r sistemas cont inuos en el t iempo, discretos en el t iempo o sistemas híbridos. Puede trabajar con sistemas lineales y no lineales; sistemas en t iempo cont inuo, muest reados o un h íbr ido de los dos; sistemas multifrecuencia, etc.

Podemos simular un sistema de dos formas: median te el menú de Simulink, o in t roduciendo órdenes desde la línea de comandos de Matlab. Si lo hacemos de una u otra forma, encontramos las siguientes diferencias:

Desde Matlab:

Se pueden modificar las condiciones iniciales de los bloques

Se puede generar au tomát icamente una grá fica de las sa lidas o de las trayectorias de estado.

Se pueden especificar entradas externas.

Se puede ejecu ta r una simulación desde un fichero-M, permit iendo que los parámetros en los bloques se cambien interactivamente.

La compilación del programa exige menos recursos de la PC, por tan to la simulación se ejecuta más rápido.

Desde Simulink:

Mient ras se ejecu ta la simulación se pueden cambiar los parámet ros de un bloque o cualquier parámetro de alguna función.

Se puede alterar el método y parámetros de simulación.

Podemos ver la señal que transporta cada línea.

Generación de curvas de resultados en distintos formatos.

Elementos Básicos

Hay dos clases de elementos definidos en Simulink: bloques y líneas. Los bloques son usados para genera r , modifica r , combinar , sacar y desplegar señales. Las líneas son usadas para transferir señales de un bloque a otro.

Bloques

Se puede encont ra r una amplia biblioteca de bloques como por ejemplo sumadores, fuentes, componentes linea les y no linea les, conectores, etc., también podemos personalizar y crear nuestros propios bloques.

Los modelos son jerá rquicos, de forma que podemos ver un sistema desde un n ivel super ior y en t rando en los bloques podemos ir descendiendo a t ravés de los niveles para ver con más detalle el modelo.


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Las librerías de bloques principales son:

Sources (fuentes): Sirven para generar todo tipo de señales.

Sinks (sumideros): Se usan como salida o para visualizar la señal.

Discrete: Son elementos de sistemas linea les y en t iempo discreto (funciones de transferencia, diagramas de espacio-estado...)

Linear (linea l): Son elementos y conexiones para sistemas linea les y en tiempo contínuo (sumadores, multiplicadores...)

Nonlinear (no linea l): Son operadores no linea les (funciones arbitrarias, saturación, retrasos...)

Connections (conectores): Multiplexores, Demultiplexores, etc...

Además, existen una gran can t idad de Demos y de funciones complementarias.

Líneas

Las líneas t ransmiten señales en la dirección indicada por la flecha . Las líneas siempre deben t ransmit ir la s señales de la t erminal de sa lida de un bloque a la t ermina l de en t rada de ot ro bloque. Una línea también puede separarse a ot ra línea , mandando la señal a cada uno de los dos bloques destinatarios.

Las líneas nunca pueden inyecta r señales en ot ra línea ; las líneas deben combinarse a t ravés del uso de un bloque como una unión , sumador , multiplexor, etc.

Una señal puede ser una señal escalar o una señal vectorial:

Para Ent rada-Simple, Sistemas del Sa lida-Simple, genera lmente se usan señales escalares.

Para el Multi-entrada, sistemas de Multi-Salida, se usan a menudo las señales vectoriales, consistiendo en dos o más señales escalares


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Las líneas para t ransmit ir señales esca la res y vector ia les son idént icas. El t ipo de seña l llevado por una línea es determinado por los bloques en cua lquier ext remo de la línea . La mayor ía de los bloques aceptan por igua l las señales escalares y vectoriales.

Del gráfico an ter ior , la línea de conexión en t re el mult iplexor y el osciloscopio t iene que llevar las dos señales a l mismo t iempo: la onda senoidal de la que par t imos, y la in tegración de esa esta (1/s). Del mult iplexor sólo par te una línea, pero en el osciloscopio vemos representadas las dos.

Visualización de Señales

Simulink dispone de var ios bloques dist in tos para la visualización de señales, en t re ellos están el bloque Scope, el bloque XYGraph y el bloque Display, aquí el ejemplo de 2 ondas senoidales visualizadas a través del bloque Scope:


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Adquisición de Datos y Control

Simulink cuenta con bloques para adquisición de da tos, los cua les deben ser configurados con los dr ives específicos para la t a r jeta de adquisición que se está u t ilizando. Las librer ías de simulink ya cuentan con los dr ivers de los pr incipales fabr ican tes, pero también es posible incorporar nuevas librer ías y/o actualizar las existentes.

Adicionalmente cuenta con bloques ya diseñados para rea liza r acciones de cont rol, como el a lgor itmo PID, en el cua l lo ún ico que es usuar io debe hacer es sintonizar correctamente.

Por ejemplo podemos tener el cont rol de un motor DC: Tenemos una en t rada ana lógica del sensor (tacómet ro), la cua l se lee con el bloque RT in . Tenemos una sa lida ana lógica hacia el motor (volta je), la cua l se envía median te el bloque RT out . E l sistema cuenta con un set -point definido por el usuario, un diferenciador para determinar el er ror , un filt ro ana lógico para la en t rada , un sa turador para la sa lida de volta je, y un gra ficador (scope) para most ra r el comportamiento del sistema.

2.5. OTROS SOFTWARES PARA ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS

Por lo genera l cada fabr ican te de ta r jetas de adquisición de da tos y hardware para inst rumentación vir tua l desarrolla su propio programa propietar io y cer rado, pero a lgunos de estos software pueden ser de aplicación diversa y compatible con otros fabricantes; así podemos citar:


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DAP Measurement Studio

Software desar rollado por Microsta r Labora tor ios para procesos de adquisición de da tos. Provee las her ramientas necesar ias para aplicaciones de cont rol. Combina una ser ie de elementos que le permiten operar ba jo diversos sistemas operativos.


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Agilent VEE

Es un lengua je de programación desar rollado por Agilen t Technologies, pa ra aplicaciones de adquisición de da tos para genera r disposit ivos ta les como volt ímet ros digita les, osciloscopios, generadores de onda , fuentes de alimentación, etc.

Puede representa r funciones matemát icas y permite elaborar a lgor itmos en base a los da tos recogidos, todo dent ro de un ambiente de programación gráfica, usando bloques tipo diagrama seleccionados desde menús específicos.

FreeVIEW

Software desar rollado por Team Solu t ions. Diseñado para clien tes que no quieren programar sus propias aplicaciones, cuenta con paneles diseñados para most rar señales mult i-cana l, y her ramientas para analiza r los da tos. Opera bajo entorno Windows


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Visidaq

Programa desar rollado por Visidaq Solu t ions. Es un paquete listo para usar y no requiere de programación , cuenta con una in ter faz amigable que permite visualizaciones en t iempo rea l, br inda asistencia para la ca libración de sensores, cá lcu los de a lgor itmos, conversión de da tos, esca lonamiento, transferencia de archivos, presentación de datos, etc.

DAQFactory

Programa desar rollado por AzeoTech. Ent re las ca racter íst icas pr incipales tenemos:

- Permite una rápida conmutación en t re el modo de ejecución y el modo de programación.

- Con capacidad para combinar da tos leídos on-line y da tos almacenados en una base de datos ODBC.

- Trae el algoritmo PID integrado como función - Permite comunicaciones de tipo Ethernet, Modbus, y otras - Permite captar eventos del mouse, teclado y otros periféricos. - Permite importar y exportar texto, imágenes, etc. - Tiene var ias presen taciones o versiones de acuerdo a la potencia ,

funcionabilidad y performance que se requiera


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Beta Instruments Manager

Programa desar rollado por Beta Inst ruments. Cuenta con una a rquitectura cliente-servidor y con capacidad mult i-clien te. E l software suminist rado incorpora además programas de ejemplo en Visua l Basic, que pueden dispara rse desde el mismo Manager . La red funciona con el protocolo TCP, y puede ser desde una red de área local hasta Internet.


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Capítulo VII

APLICACIONES DE

INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

1. INTRODUCCION

La instrumentación virtual tiene una amplia gama de aplicaciones, una de sus pr incipales aplicaciones es en la indust r ia para sistemas de medición, monitoreo de procesos, y aplicaciones de control. También pueden ser u t ilizados en labora tor ios para clases en universidades sobre procesos de cont rol indust r ia l. También es muy u t ilizado en procesamiento digita l de señales, procesamiento en t iempo rea l, pa ra aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes y audio, diseño de filt ros digita les, generación de señales, automatización de hogares y edificios inteligentes, entre otras.

En el presente capítu lo de seña lan a lgunos ejemplos de posibles aplicaciones o usos que tendr ía la inst rumentación vir tua l dent ro de los diversos campos de la industria, domótica, medicina, educación, etc.


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2. ADQUISICIÓN Y ANÁLISIS DE ELECTROCARDIOGRAMAS

El elect rocardiograma es una medición de seña les que permite representa r grá ficamente la act ividad eléct r ica del corazón . Dichas var iaciones de volta je son el resultado de la despola r ización y repola r ización del músculo ca rdíaco, que producen cambios eléctricos que alcanzan la superficie del cuerpo.

Esta act ividad se detecta a t ravés de una ser ie de elect rodos conectados a la superficie externa del pecho del paciente.

El objet ivo del t raba jo será conver t ir la computadora en un disposit ivo capaz de capta r las seña les enviadas por los elect rodos (sensores) ubicados en el pecho del paciente, y most ra r dichos da tos en una curva en panta lla . Con la ventaja adicional de poder almacenar esa información para su análisis.

El análisis que se puede hacer a estos datos es diverso, como por ejemplo:

Guardar un h istor ia l de pacien te para observar su evolución a lo la rgo de un tiempo.

Si el paciente sufre de a lgún mal, es sistema podr ía ser capaz de ident ifica r dicho mal basándose en estadíst icas e imágenes que correspondan a enfermedades.

El sistema puede ofrecer un resu ltado deta llado de la act ividad del corazón

Aplicación de funciones matemát icas (der ivada en función del t iempo del ECG, espectro de la señal electrocardiográfica, etc.)


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3. MEDIDOR VIRTUAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA

En todo hogar y/o indust r ia es impor tan te conocer la medida del consumo mensual de energía eléct r ica , y debido a l costo del servicio es necesar io tener una medición exacta en los consumos de energía.

La medición de energía eléct r ica por medio de Wat thor ímetros es la forma más sencilla y confiable, debido a las ca racter íst icas propias de los equipos de medición que se componen de pocos elementos eléct r icos. Estos miden el consumo en kilowatts por hora.

La gran var iedad de Wat thor ímet ros nos permite medir todo t ipo y forma de señales, se pueden rea lizar mediciones residencia les, indust r ia les, en subestaciones eléct r icas y en plantas generadoras de energía eléct r ica , etc. De acuerdo a las necesidades y can t idad de energía medida , será el t ipo y modelo de medidor que se requiere, así, pa ra servicio residencia l se emplean los de t ipo elect romecánico, cuyo pr incipio de funcionamiento es el motor de inducción; de igual forma para servicio indust r ia l es muy convenien te rea liza r mediciones con medidores auto contenidos electromecánicos y digitales.

Para medir cor r ien te existen var ios t ipos de sensores Hall den t ro de los que destacan los de t ipo Switch y Linea l. Se diseñan sensores linea les para responder en una amplia gama de campos magnét icos nega t ivos o posit ivos, por esta razón , los sensores de efecto Hall linea les son ideales para sensar cor r ien tes, que van desde mili Amperes hasta miles de Amperes con una buena precisión.

La seña l de volta je requiere de un acondicionamiento mediante un circuito regulador sinusoidal el cual debe fijar el voltaje alterno a niveles adecuados de voltaje continuo para la siguiente etapa de la adquisición de los datos.

El diseño del instrumento virtual tendrá varias etapas:

La detección de dos señales (volta je y cor r ien te) de un sistema eléctrico monofásico

Una etapa de acondicionamiento y normalización de estas dos señales.

Recoger las señales mediante una tarjeta de adquisición

Programar la interfaz gráfica para el usuario

Luego de la programación de los a lgor itmos matemát icos necesar ios para ca lcula r formulas y ecuaciones, la vista en panta lla del inst rumento deberá visualizar resultados tales como por ejemplo:

El consumo de energía eléctrica total y segmentado del sistema

Voltaje y corriente pico, valores RMS

Potencia activa, potencia real, potencia reactiva

Factor de potencia

Demanda máxima

Espectro de frecuencia, etc.


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4. IDENTIFICACIÓN DE SISTEMAS O PROCESOS

El diseño de un cont rolador cont inuo o discreto, ya sea median te técn icas clásicas o en var iables de estado, requiere de un modelo de la plan ta a cont rola r que caracter ice su comportamiento dinámico. Este modelo permite a l diseñador rea liza r y va lidar median te simulación el a juste de los parámet ros del cont rolador que permiten obtener una respuesta que sa t isfaga las especificaciones de diseño.

Se en t iende por ident ificación de sistemas a la obtención de forma exper imenta l de un modelo que reproduzca con suficiente exact itud, para los fines deseados, las características dinámicas del proceso objeto de estudio.

El proceso de identificación comprende los siguientes pasos:

Obtención de da tos de en t rada

salida : Para ello se debe excita r el sistema median te la aplicación de una seña l de en t rada y regist ra r la evolución de sus entradas y salidas durante un intervalo de tiempo.

Tra tamiento previo de los da tos regist rados: Los da tos regist rados están genera lmente acompañados de ru idos indeseados u ot ro t ipo de imperfecciones que puede ser necesar io cor regir an tes de in icia r la identificación del modelo.

Elección de la estructura del modelo: Si el modelo que se desea obtener es un modelo paramétrico o no paramét r ico, es decir el sigu ien te paso es determinar la est ructura deseada para dicho modelo y usar los algoritmos matemáticos adecuados para tal.

Obtención de los parámet ros del modelo: A cont inuación se procede a la est imación de los parámet ros de la est ructura que mejor a justan la respuesta del modelo a los da tos de entrada-sa lida obten idos experimentalmente.

Validación del modelo: El ú lt imo paso consiste en determinar si el modelo obten ido sa t isface el grado de exact itud requer ido para la aplicación en cuestión.

Existes modelos paramétricos (matemáticos) y no paramétricos:

Modelos no paramétr icos. Muchos sistemas quedan perfectamente ca racter izados median te un gráfico o tabla que descr iba sus propiedades dinámicas median te un número no fin ito deparámet ros. Por ejemplo, un sistema linea l queda defin ido median te su respuesta al impulso o al escalón, o bien mediante su respuesta en frecuencia.


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Modelos paramét r icos o matemát icos. Para aplicaciones más avanzadas, puede ser necesar io u t iliza r modelos que descr iban las relaciones en t re las var iables del sistema median te expresiones matemát icas como pueden ser ecuaciones diferencia les (para sistemas continuos) o en diferencias (para sistemas discretos).

Los Modelos Paramétricos pueden clasificarse en:

Determinísticos y Estocást icos. Se dice que un modelo es determiníst ico cuando expresa la relación en t re en t radas y sa lidas median te una ecuación exacta . Por cont ra , un modelo es estocást ico si posee un cier to grado de incer t idumbre. Estos ú lt imos se definen mediante conceptos probabilísticos o estadísticos.

Dinámicos y Está t icos. Un sistema es está t ico cuando la sa lida depende únicamente de la en t rada en ese mismo instan te (un resistor , por ejemplo, es un sistema está t ico). En estos sistemas existe una relación directa en t re en t rada y sa lida , independien te del t iempo. Un sistema dinámico es aquél en el que las sa lidas evolucionan con el t iempo t ras la aplicación de una determinada ent rada (por ejemplo, una red RC). En estos ú lt imos, para conocer el va lor actua l de la sa lida es necesar io conocer el t iempo t ranscur r ido desde la aplicación de la entrada.

Continuos y Discretos. Los sistemas cont inuos t raba jan con señales cont inuas, y se ca racter izan median te ecuaciones diferencia les. Los sistemas discretos t raba jan con seña les muest readas, y quedan descritos mediante ecuaciones en diferencias.

Los inst rumentos vir tua les, por lo tan to, permit irán rea liza r las acciones necesar ias para tomar la da ta de en t rada y sa lida del sistema, y median te algoritmos matemáticos llegar a determinar el modelo matemático de de dicho sistema.

5. SIMULADOR DE SISTEMAS EDUCATIVOS

Un sistema de adquisición de da tos permite recoger seña les desde sensores a islados, no necesar iamente estos t ienen que per tenecer a un proceso industrial, por lo que se puede montar plantas modelo para laboratorios.

Una plan ta modelo puede consist ir por ejemplo de un tanque, un sensor de n ivel y una vá lvula neumát ica , luego los estudian tes pueden ut iliza r la computadora para recoger y envia r señales, pudiendo programar a lgor itmos matemáticos y comparar su rendimiento frente a controladores comerciales.


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Es muy ú t il cuando se qu iere invest igar nuevos teoremas y nuevas leyes de cont rol, rea liza r exper imentos y sobre todo pract icar con casos rea les como es el funcionamiento de un determinado algoritmo de control.

Se puede combinar con diferen tes componentes mecánicos, eléct r icos y elect rón icos para permit ir mayor flexibilidad e incrementar la gama de posibles aplicaciones.

6. IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PID

El controlador PID es el más común, completo y complejo dentro de la gama de cont roladores clásicos, t iene una respuesta rápida y estable siempre que este bien sintonizado.

El PID se puede sintonizar mediante 3 parámetros:

Ganancia Proporcional (Gain)

Ganancia Integral (Reset)

Ganancia Derivativa (Rate)

Resumiendo se puede decir que:

El control proporcional actúa sobre el tamaño del error.

El control integral rige el tiempo para corregir el error

El control derivativo le brinda la rapidez a la actuación.

Para poder implementa r un cont rolador PID median te inst rumentación vir tua l es necesar io recoger y envia r las señales de campo, y además conocer el a lgor itmo matemát ico y función de t ransferencia cor respondien te a dicho controlador, así tenemos:

Función de Transferencia:

sTdsTi

Kp1

El algoritmo de control se presenta en 2 modalidades, continuo y discreto


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PID Continuo

t

dt

tdeKddtteKiteKptu

0

)()()()(

PID Discreto

)2()1(2)()1()( kEKdkEKdKpkEKdKiKpkUkU

Donde:

U(k) Es la señal de control en el instante de tiempo actual U(k-1) Es la señal de control en el instante de tiempo anterior E(k) Es la señal de error en el instante de tiempo actual E(k-1) Es la señal de error en el instante de tiempo penúltimo E(k-2) Es la señal de error en el instante de tiempo antepenúltimo

Kp, Ki, Kd Son las constan tes proporciona l, in tegra l, y der iva t iva , respectivamente

7. DESARROLLO DE FILTROS DIGITALES

Un filtro es un sistema que, dependiendo de a lgunos parámetros, rea liza un proceso de discr iminación de una señal de en t rada obteniendo var iaciones en su salida.

Los filt ros digita les t ienen como ent rada una señal ana lógica o digital y a su sa lida t ienen ot ra seña l ana lógica o digita l, pudiendo haber cambiado en amplitud, frecuencia o fase dependiendo de las características del filtro.

E l filt rado digita l consiste en la rea lización in terna de un procesado de da tos de en t rada . E l va lor de la muest ra de la en t rada actua l y a lgunas muest ras an ter iores (que previamente habían sido a lmacenadas) son mult iplicados por unos coeficien tes defin idos. También podr ía tomar va lores de la sa lida en instantes pasados y multiplicarlos por otros coeficientes.

F ina lmente todos los resultados de todas estas mult iplicaciones son sumados, dando una salida para el instante actual. Esto implica que internamente tanto la sa lida como la en t rada del filt ro serán digitales, por lo que puede ser


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necesar ia una conversión ana lógico-digita l o digita l-ana lógica para uso de filtros digitales en señales analógicas.

Los filt ros digita les se usan frecuentemente para t ra tamiento digita l de la imagen o para tratamiento del sonido digital.

Los filtros digitales deben cumplir con las siguientes propiedades:

Invariancia en el tiempo

Causalidad (su sa lida en un instante dado no puede depender de valores posteriores de la excitación)

Linealidad


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Anexo I

UNIDADES DEL SISTEMA DE

MEDIDAS

Introducción Mediante las un idades del sistema de medidas podemos representa r la in formación cuant ita t iva cor respondien te a la observación de un fenómeno físico, por tan to a cont inuación se muest ran dichas un idades cor respondientes a sus respectivas magnitudes y símbolos

Normativa en el Perú

EL SLUMP (Sistema Lega l de Unidades de Medida del Perú) establece en el Perú el Sistema In ternaciona l de Unidades (SI) median te Ley Nº 23560, t a l como es aceptado en casi todos los pa íses del mundo. El SLUMP esta a cargo del INDECOPI (Inst itu to Naciona l de Defensa de la Competencia y de la Protección de la Propiedad Intelectual), su alcance comprende:

- Unidades de medida, sus definiciones y símbolos. - Prefijos, sus equivalencias y símbolos. - Reglas de uso y escr itura de un idades, múlt iplos, submúlt iplos y

símbolos. - Reglas de presentación de valores numéricos, de fechas y del tiempo. - Reglas de uso de un idades, prefijos y va lores numér icos en cá lculos,

conversión y redondeo.

Unidades SI básicas.

Magnitud Nombre Símbolo

Longitud metro m

Masa kilogramo kg

Tiempo segundo s


158

Intensidad de corriente eléctrica amperio A

Temperatura termodinámica kelvin K

Cantidad de sustancia mol mol

Intensidad luminosa candela cd

Fundamentación de las unidades:

Unidad de longitud: metro (m)

El met ro

es la longitud de t rayecto recor r ido en el vacío por la luz duran te un t iempo de 1 / 299 792 458 de segundo.

Unidad de masa El kilogramo

(kg) es igua l a la masa del protot ipo internacional del kilogramo

Unidad de tiempo El segundo

(s) es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición ent re los dos n iveles h iper -finos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

Unidad de intensidad de corriente eléctrica

El amperio

(A) es la in tensidad de una cor r ien te constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2·10-7 newton por metro de longitud.

Unidad de temperatura termodinámica

El kelvin (K), unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 de la t empera tura termodinámica del punto triple del agua.

Observación: Además de la t empera tura termodinámica (símbolo T) expresada en kelvins, se u t iliza también la t empera tura Celsius (símbolo t ) defin ida por la ecuación t = T - T0 donde T0

= 273,15 K por definición.

Unidad de cantidad de sustancia

El mol (mol) es la cant idad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12.


159

Cuando se emplee el mol, deben especifica rse las un idades elementa les, que pueden ser á tomos, moléculas, iones, elect rones u ot ras par t ícu las o grupos especificados de tales partículas.

Unidad de intensidad luminosa

La candela

(cd) es la un idad luminosa , en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540·1012

hertz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 watt por estereorradián.

Unidades SI suplementarias.

Magnitud Nombre Símbolo Expresión en unidades SI básicas

Ángulo plano

Radián rad mm-1= 1

Ángulo sólido

Estereorradián sr m 2m -2= 1

Unidad de ángulo plano

El radián

(rad) es el ángulo plano comprendido entre dos radios de un círculo que, sobre la circunferencia de dicho círculo, interceptan un arco de longitud igual a la del radio.

Unidad de ángulo sólido

El estereorradián

(sr) es el ángulo sólido que, teniendo su vértice en el centro de una esfera, intercepta sobre la superficie de dicha esfera un área igual a la de un cuadrado que tenga por lado el radio de la esfera.

Unidades SI derivadas

Estas unidades SI der ivadas se expresan simplemente a par t ir de las unidades SI básicas y suplementarias.


160

Algunas han recibido un nombre especial y un símbolo particular.

Algunas de estas un idades se pueden expresar tan to en una combinación de símbolos de unidades básicas, así como con un símbolo propio.

Unidades SI der ivadas expresadas a par t ir de un idades básicas y suplementarias.


Superficie metro cuadrado m 2

Volumen metro cúbico m 3

Velocidad metro por segundo m/s

Aceleración metro por segundo cuadrado m/s2

Número de ondas metro a la potencia menos uno m -1

Masa en volumen kilogramo por metro cúbico kg/m3

Velocidad angular radián por segundo rad/s

Aceleración angular radián por segundo cuadrado rad/s2

Unidad de velocidad Un met ro por segundo (m/s o m·s-1) es la velocidad de un cuerpo que, con movimiento uniforme, recorre, una longitud de un metro en 1 segundo

Unidad de aceleración Un met ro por segundo cuadrado (m/s2 o m·s-2) es la aceleración de un cuerpo, an imado de movimiento uniformemente var iado, cuya velocidad var ía cada segundo, 1 m/s.

Unidad de número de ondas

Un metro a la potencia menos uno (m-1) es el número de ondas de una radiación monocromát ica cuya longitud de onda es igual a 1 metro.

Unidad de velocidad Un radián por segundo (rad/s o rad·s-1) es la


161

angular velocidad de un cuerpo que, con una rotación

uniforme a lrededor de un eje fijo, gira en 1 segundo, 1 radián.

Unidad de aceleración angular

Un radián por segundo cuadrado (rad/s2 o rad·s-2) es la aceleración angula r de un cuerpo an imado de una rotación uniformemente var iada a lrededor de un eje fijo, cuya velocidad angula r , va r ía 1 radián por segundo, en 1 segundo.

Unidades SI derivadas con nombres y símbolos especiales.

Magnitud Nombre Símbolo Expresión en

otras unidades SI

Expresión en unidades SI

básicas

Frecuencia hertz Hz s-1

Fuerza newton N m·kg·s-2

Presión pascal Pa N·m-2 m -1·kg·s-2

Energía, trabajo,

cantidad de calor joule J N·m

m 2·kg·s-2

Potencia watt W J·s-1 m 2·kg·s-3

Cantidad de electricidad carga eléctrica

coulomb C s·A

Potencial eléctrico fuerza electromotriz

volt V W·A-1 m 2·kg·s-3·A-1

Resistencia eléctrica

ohm

V·A-1 m 2·kg·s-3·A-2

Capacidad eléctrica

farad F C·V-1 m -2·kg-1·s4·A2

Flujo magnético weber Wb V·s

m 2·kg·s-2·A-1

Inducción magnética

tesla T Wb·m2 kg·s-2·A1


162

Inductancia henry H Wb·A-1 m 2·kg s-2·A-2

Unidad de frecuencia Un hertz (Hz) es la frecuencia de un fenómeno

periódico cuyo periodo es 1 segundo.

Unidad de fuerza Un newton

(N) es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo cuadrado.

Unidad de presión Un pascal

(Pa) es la presión uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton.

Unidad de energía, trabajo, cantidad de calor

Un joule (J ) es el t raba jo producido por una fuerza de 1 newton , cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro en la dirección de la fuerza.

Unidad de potencia, flujo radiante

Un watt

(W) es la potencia que da lugar a una producción de energía igual a 1 joule por segundo.

Unidad de cantidad de electricidad, carga eléctrica

Un coulomb

(C) es la can t idad de elect r icidad transportada en 1 segundo por una corriente de intensidad 1 ampere.

Unidad de potencial eléctrico, fuerza electromotriz

Un voltio (V) es la diferencia de potencia l eléct r ico que existe ent re dos puntos de un h ilo conductor que t ranspor ta una cor r ien te de in tensidad constan te de 1 ampere cuando la potencia disipada en t re estos puntos es igual a 1 watt.

Unidad de resistencia eléctrica

Un ohmnio ( ) es la resistencia eléct r ica que existe en t re dos puntos de un conductor cuando una


163

diferencia de potencia l constan te de 1 volt aplicada en t re estos dos puntos produce, en dicho conductor , una cor r iente de in tensidad 1 ampere, cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor.

Unidad de capacidad eléctrica

Un faradio

(F) es la capacidad de un condensador

eléctrico que entre sus armaduras aparece una diferencia de potencial eléctrico de 1 volt , cuando está cargado con una cantidad de electricidad igual a 1 coulomb.

Unidad de flujo magnético

Un weber

(Wb) es el flu jo magnét ico que, a l atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se anula dicho flujo en un segundo por decaimiento uniforme.

Unidad de inducción magnética

Una tesla

(T) es la inducción magnét ica uniforme que, repartida normalmente sobre una superficie de 1 metro cuadrado, produce a través de esta superficie un flujo magnético total de 1 weber.

Unidad de inductancia

Un henry (H) es la inductancia eléct r ica de un circu ito cer rado en el que se produce una fuerza elect romotr iz de 1 volt , cuando la cor r ien te eléct r ica que recor re el circuito var ía un iformemente a razón de un ampere por segundo.

Unidades SI derivadas expresadas a partir de las que tienen nombres especiales


Expresión en unidades SI básicas

Viscosidad dinámica pascal segundo Pa·s

m -1·kg·s-1

Entropía joule por kelvin J/K m 2·kg·s-2·K-1


164

Capacidad térmica másica

joule por kilogramo kelvin

J/(kg·K)

m2·s-2·K-1

Conductividad térmica

watt por metro

kelvin W/(m·K)

m·kg·s-3·K-1

Intensidad del campo eléctrico

volt por metro V/m m·kg·s-3·A-1

Unidad de viscosidad dinámica

Un pasca l segundo

(Pa·s) es la viscosidad dinámica de un flu ido homogéneo, en el cua l, el movimiento rect ilíneo y un iforme de una superficie plana de 1 met ro cuadrado, da lugar a una fuerza reta rda t r iz de 1 newton , cuando hay una diferencia de velocidad de 1 met ro por segundo en t re dos planos para lelos separados por 1 metro de distancia.

Unidad de entropía Un joule por kelvin

(J /K) es el aumento de en t ropía de un sistema que recibe una can t idad de ca lor de 1 joule, a la tempera tura termodinámica constan te de 1 kelvin , siempre que en el sistema no tenga lugar n inguna transformación irreversible.

Unidad de capacidad térmica másica

Un joule por kilogramo kelvin

(J /(kg·K) es la capacidad térmica másica de un cuerpo homogéneo de una masa de 1 kilogramo, en el que el apor te de una can t idad de ca lor de un jou le, produce una elevación de tempera tura termodinámica de 1 kelvin.

Unidad de conductividad térmica

Un wat t por met ro kelvin

(W·m/K) es la conduct ividad térmica de un cuerpo homogéneo isót ropo, en la que una diferencia de tempera tura de 1 kelvin en t re dos planos para lelos, de á rea 1 met ro cuadrado y

distantes 1 met ro, produce ent re estos planos un flu jo térmico de 1 watt.

Unidad de intensidad del campo eléctrico

Un voltio por met ro

(V/m) es la in tensidad de un campo eléct r ico, que ejerce una fuerza de 1 newton sobre un cuerpo cargado con una


165

cantidad de electricidad de 1 coulomb.

Unidades definidas a partir de las unidades SI, pero que no son múltiplos o submúltiplos decimales de dichas unidades.


Relación

Ángulo plano

vuelta 1 vuelta= 2 rad

grado º ( /180) rad

minuto de ángulo ' ( /10800) rad

segundo de ángulo

" ( /648000) rad

Tiempo minuto min 60 s

hora h 3600 s

día d 86400 s

Unidades en uso con el Sistema Internacional cuyo valor en unidades SI se ha obtenido experimentalmente.

Magnitud

Nombre Símbolo

Valor en unidades SI

Masa unidad de masa atómica

u 1,6605402 10-27 kg

Energía electronvolt eV 1,60217733 10-19 J

Múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades del SI

Factor Prefijo Símbolo

1024 yotta Y

1021 zeta Z

1018 exa E

1015 peta P


166

1012 tera T

109 giga G

106 mega M

103 kilo k

102 hecto h

101 deca da

10-1 deci d

10-2 centi c

10-3 mili m

10-6 micro

10-9 nano n

10-12 pico p

10-15 femto f

10-18 atto a

10-21 zepto z

10-24 yocto y

Cinemática

Magnitud física Símbolo Unidad SI

tiempo t s

posición x m

velocidad v m s-1

aceleración a m s-2

ángulo plano

rad

velocidad angular

rad/s


167

aceleración angular

rad·s-2

Radio r m

longitud de arco s m

Área

A, S m 2

Volumen V m 3

ángulo sólido

sr

Frecuencia f Hz

frecuencia angular

s-1, rad s-1

Dinámica


Masa m kg

momento lineal p kg m s-1

Fuerza F N (= kg m s-2)

momento de una fuerza

N·m

momento de inercia I kg m2

momento angular L kg m2 s-1 rad (= J s)

Energía E J

energía potencial E p , V J

energía cinética E k J

Trabajo W J


168

potencia P W

densidad (masa) d kg m-3

presión p Pa

Termodinámica


calor Q J

trabajo W J

temperatura termodinámica

T K

temperatura Celsius T oC

energía interna U J

entropía S J K-1

capacidad calorífica C J K-1

Electromagnetismo


carga eléctrica Q C

densidad de carga C m-3

corriente eléctrica I, i A

densidad de corriente eléctrica

j A m-2


169

potencial eléctrico V V

diferencia de potencial, voltaje

V

campo eléctrico E V m-1

Capacidad C F

permitividad eléctrica F m-1

permitividad relativa 1

momento dipolar eléctrico

p C m

flujo magnético Wb

campo magnético B T

Permeabilidad µ H m-1, N A-2

permeabilidad relativa

µr 1

Resistencia R

Resistividad m

Autoinducción L H

inducción mutua H

constante de tiempo s

Constantes fundamentales

Constante Símbolo Valor

Velocidad de la luz

c 2.9979·108 m·s-1

Carga elemental e 1.6021·10-19 C

Masa en reposo del electrón

me 9.1091·10-31 kg

Masa en reposo del protón m p 1.6725·10-27 kg


170

Constante de Planck H 6.6256·10-34 J·s

Constante de Avogadro NA 6.0225·1023 mol-1

Constante de Boltzmann K 1.3805·10-23 J·K-1

Constante de los gases R 8.3143 J·K-1·mol-1

Permitividad del vacío 0 8.8544·10-12 N-1·m-2·C2

Permeabilidad del vacío 0 1.2566·10-6 m·kg·C-2

Constante de gravitación G 6.670·10-11 N·m2·kg-2

Aceleración de la gravedad a nivel del mar

G 9.7805 m·s-2

Fuente: Alonso M, Finn E. Física. Fondo Educativo Interamericano (1971)


171

Anexo II

CODIGOS ISA PARA INSTRUMENTACION

ANALYSIS (A) 1 AA Analysis Alarm 2 AA H Analysis Alarm High 3 AA HH Analysis Alarm High High 4 AA L Analysis Alarm Low 5 AA LL Analysis Alarm Low Low 6 AC Analysis Controller 7 ACV Analysis Control Valve 8 AE Analysis Element 9 AI Analysis Indicator 10 AIC Analysis Indicating Controller 11 AICV Analysis Indicating Control Valve 12 AIT Analysis Indicating Transmitter 13 AQ Analysis Integrator or Totalizator 14 AR Analysis Recorder 15 ARA Analysis Recording Alarm 16 ARC Analysis Recording Controller 17 ARCA Analysis Recording Controller Alarm 18 AS Analysis Switch 19 AS H Analysis Switch High 20 AS L Analysis Switch Low 21 AT Analysis Transmitter 22 AX Analysis Operation

CONDUCTIVITY (C) 1 CA Conductivity Alarm 2 CA H Conductivity Alarm High 3 CA HH Conductivity Alarm High High 4 CA L Conductivity Alarm Low 5 CA LL Conductivity Alarm Low Low 6 CC Conductivity Controller 7 CCV Conductivity Control Valve 8 CE Conductivity Element 9 CI Conductivity Indicator 10 CIC Conductivity Indicating Controller 11 CICV Conductivity Indicating Control Valve 12 CIT Conductivity Indicating Transmitter 13 CQ Conductivity Integrator or Totalizator


172

14 CR Conductivity Recorder 15 CRA Conductivity Recording Alarm 16 CRC Conductivity Recording Controller 17 CRCA Conductivity Recording Controller Alarm 18 CS Conductivity Switch 19 CS H Conductivity Switch High 20 CS L Conductivity Switch Low 21 CT Conductivity Transmitter 22 CX Conductivity Operation

FLOW (F) 1 FA Flow Alarm

2 FA H Flow Alarm High 3 FA HH Flow Alarm High High 4 FA L Flow Alarm Low 5 FA LL Flow Alarm Low Low 6 FC Flow Controller 7 FCV Flow Controller Valve 8 FE Flow Element 9 FI Flow Indicator 10 FIC Flow Indicating Controller 11 FICV Flow Indicating Control Valve 12 FIT Flow Indicating Transmitter 13 FQ Flow Integrator or Totalizator 14 FR Flow Recorder 15 FRA Flow Recording Alarm 16 FRC Flow Recording Controller 17 FRCA Flow Recording Controller Alarm 18 FS Flow Switch 19 FS H Flow Switch High 20 FS L Flow Switch Low 21 FT Flow Transmitter 22 FX Flow Operation

HAND CONTROLLER (H) 1 HC Hand Controller 2 HCV Hand Control Valve 3 HIC Manual Indicating Controller Station 4 HS Hand Activated Switch

TIME OR TIME SCHEDULE (K) 1 KA Time Alarm 2 KA H Time Alarm High 3 KA HH Time Alarm High High 4 KA L Time Alarm Low 5 KA LL Time Alarm Low Low 6 KC Program Controller 7 KCV Interlocked Control Valve


173

8 KE Time Element 9 KI Clock 10 KIC Time Indicating Controller 11 KICV Time Indicating Control Valve 12 KIT Time Indicating Transmitter 13 KQ Time Integrator or Totalizator 14 KR Time or Operation Recorder 15 KRA Time or Operation Recording Alarm 16 KRC Time Recording Controller 17 KRCA Time Recording Controller Alarm 18 KS Time Switch or Timer 19 KS H Time Switch High 20 KS L Time Switch Low 21 KT Time Transmitter 22 KX Operation Counter

LEVEL (L) 1 LA Level Alarm 2 LA H Level Alarm High 3 LA HH Level Alarm High High 4 LA L Level Alarm Low 5 LA LL Level Alarm Low Low 6 LC Level Controller 7 LCV Level Control Valve 8 LE Level Element 9 LI Level Indicator 10 LIC Level Indicating Controller 11 LICV Level Indicating Control Valve 12 LIT Level Indicating Transmitter 13 LQ Level Integrator or Totalizator 14 LR Level Recorder 15 LRA Level Recording Alarm 16 LRC Level Recording Controller 17 LRCA Level Recording Controller Alarm 18 LS Level Switch 19 LS H Level Switch High 20 LS L Level Switch Low 21 LT Level Transmitter 22 LX Level Operation

MOISTURE OR HUMIDITY (M) 1 MA Humidity Alarm 2 MA H Humidity Alarm High 3 MA HH Humidity Alarm High High 4 MA L Humidity Alarm Low 5 MA LL Humidity Alarm Low Low 6 MC Humidity Controller 7 MCV Humidity Control Valve 8 ME Humidity Element


174

9 MI Humidity Indicator 10 MIC Humidity Indicating Controller 11 MICV Humidity Indicating Control Valve 12 MIT Humidity Indicating Transmitter 13 MQ Humidity Integrator or Totalizator 14 MR Humidity Recorder 15 MRA Humidity Recording Alarm 16 MRC Humidity Recording Controller 17 MRCA Humidity Recording Controller Alarm 18 MS Humidity Switch 19 MS H Humidity Switch High 20 MS L Humidity Switch Low 21 MT Humidity Transmitter 22 MX Humidity Operation

SPEED OR FREQUENCY (S) 1 SA Speed Alarm 2 SA H Speed Alarm High 3 SA HH Speed Alarm High High 4 SA L Speed Alarm Low 5 SA LL Speed Alarm Low Low 6 SC Speed Controller 7 SE Speed Element 8 SI Speed Indicator 9 SIC Speed Indicating Controller 10 SICV Speed Indicating Control Valve 11 SIT Speed Indicating Transmitter 12 SQ Speed Integrator or Totalizator 13 SR Speed Recorder 14 SRA Speed Recording Alarm 15 SRC Speed Recording Controller 16 SRCA Speed Recording Controller Alarm 17 SS Speed Switch 18 SS H Speed Switch High 19 SS L Speed Switch Low 20 SSV Speed Control Valve 21 ST Speed Transmitter 22 SX Speed Operation

PRESSURE OR VACUUM (P) 1 PA Pressure Alarm 2 PA H Pressure Alarm High 3 PA HH Pressure Alarm High High 4 PA L Pressure Alarm Low 5 PA LL Pressure Alarm Low Low 6 PC Pressure Controller 7 PCV Pressure Control Valve 8 PE Pressure Element 9 PI Pressure Indicator


175

10 PIC Pressure Indicating Controller 11 PICV Pressure Indicating Control Valve 12 PIT Pressure Indicating Transmitter 13 PQ Pressure Integrator or Totalizator 14 PR Pressure Recorder 15 PRA Pressure Recording Alarm 16 PRC Pressure Recording Controller 17 PRCA Pressure Recording Controller Alarm 18 PS Pressure Switch 19 PS H Pressure Switch High 20 PS L Pressure Switch Low 21 PT Pressure Transmitter 22 PX Pressure Operation

WEIGHT OR FORCE (W) 1 WA Weight Alarm 2 WA H Weight Alarm High 3 WA HH Weight Alarm High High 4 WA L Weight Alarm Low 5 WA LL Weight Alarm Low Low 6 WC Weight Controller 7 WCV Weight Control Valve 8 WE Weight Element 9 WI Weight Indicator 10 WIC Weight Indicating Controller 11 WICV Weight Indicating Control Valve 12 WIT Weight Indicating Transmitter 13 WQ Weight Integrator or Totalizator 14 WR Weight Recorder 15 WRA Weight Recording Alarm 16 WRC Weight Recording Controller 17 WRCA Weight Recording Controller Alarm 18 WS Weight Switch 19 WS H Weight Switch High 20 WS L Weight Switch Low 21 WT Weight Transmitter 22 WX Weight Operation

HYDROGEN ION CONCENTRATION (pH) 1 PhA Hydrogen Ion Concentration Alarm 2 PhA H Hydrogen Ion Concentration Alarm High 3 PhA HH Hydrogen Ion Concentration Alarm High

High 4 PhA L Hydrogen Ion Concentration Alarm Low 5 PhA LL Hydrogen Ion Concentration Alarm Low

Low 6 PhC Hydrogen Ion Concentration Controller 7 PhCV Hydrogen Ion Concentration Control

Valve


176

8 PhE Hydrogen Ion Concentration Element 9 PhI Hydrogen Ion Concentration Indicator 10 PhIC Hydrogen Ion Concentration Indicating

Controller 11 PhICV Hydrogen Ion Concentration Indicating

Control Valve 12 PhIT Hydrogen Ion Concentration Indicating

Transmitter 13 PhQ Hydrogen Ion Concentration Integrator or

Totalizator 14 PhR Hydrogen Ion Concentration Recorder 15 PhRA Hydrogen Ion Concentration Recording

Alarm 16 PhRC Hydrogen Ion Concentration Recording

Controller 17 PhRCA Hydrogen Ion Concentration Recording

Controller Alarm 18 PhS Hydrogen Ion Concentration Switch 19 PhS H Hydrogen Ion Concentration Switch High 20 PhS L Hydrogen Ion Concentration Switch Low 21 PhT Hydrogen Ion Concentration Transmitter 22 PhX Hydrogen Ion Concentration Operation

TEMPERATURE (T) 1 TA Temperature Alarm 2 TA H Temperature Alarm High 3 TA HH Temperature Alarm High High 4 TA L Temperature Alarm Low 5 TA LL Temperature Alarm Low Low 6 TC Temperature Controller 7 TCV Temperature Control Valve 8 TE Temperature Element 9 TI Temperature Indicator 10 TIC Temperature Indicating Controller 11 TICV Temperature Indicating Control Valve 12 TIT Temperature Indicating Transmitter 13 TQ Temperature Integrator or Totalizator 14 TR Temperature Recorder 15 TRA Temperature Recording Alarm 16 TRC Temperature Recording Controller 17 TRCA Temperature Recording Controller Alarm 18 TS Temperature Switch 19 TS H Temperature Switch High 20 TS L Temperature Switch Low 21 TT Temperature Transmitter 22 TX Temperature Operation

POSITION (Z) 1 ZA Position Alarm


177

2 ZA H Position Alarm High 3 ZA HH Position Alarm High High 4 ZA L Position Alarm Low 5 ZA LL Position Alarm Low Low 6 ZC Position Controller 7 ZCV Position Control Valve 8 ZE Position Element 9 ZI Position Indicator 10 ZIC Position Indicating Controller 11 ZICV Position Indicating Control Valve 12 ZIT Position Indicating Transmitter 13 ZQ Position Integrator or Totalizator 14 ZR Position Recorder 15 ZRA Position Recording Alarm 16 ZRC Position Recording Controller 17 ZRCA Position Recording Controller Alarm 18 ZS Position Switch 19 ZS H Position Switch High 20 ZS L Position Switch Low 21 ZT Position Transmitter 22 ZX Position Operation


178

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