Capítulo
5
Tópicos d de C Control A por C Computadora A A As istido p
5.1 Introducción Todo sistema de control asistido por computadora, como su nombre lo indica, debe de considerar a la computadora como una computadora computadora de propósito especial. Como parte del proceso de control. La computadora pude ser una PC la cual será utilizada para accesar información de variables que generalmente provienen de un proceso, en tiempo real, con el fin de: Almacenar, monitorear, procesar, controlar el proceso y sus variables. La manera en que se introduce información desde el proceso a la PC, es por medio de un sistema de adquisición de datos, que permite tomar los valores de las variables de interés del proceso, por medio de sensores. Si la PC se convierte en parte del sistema de control y permite introducir valores que se desean para la variable a controlar en el proceso, entonces estamos en el caso de control asistido por computadora. Con dos casos particularmente importantes: Control digital directo ( DDC) y control supervisorio ( Distribuido o jerárgico). En el control digital directo, una sola computadora controla toda una planta o proceso. Con la aparición de las microcomputadoras por su relativo bajo costo y bajo consumo de energía, se da paso a controlar de manera específica una sola variable o a un grupo de ellas. Este tipo de control es denominado control supervisorio o control dedicado. Un modelo de control asistido por computadora, es dado en la siguiente figura: x(t) Variable del Proceso
01101
+
Algoritmo de Control
Variable controlada deseada
m(t) +
e(t)
Controlador Analógico
Proceso
Lazo Analógico
Lazo de PC 01110
Enfriamiento Sistema de Adquisición de Datos
Sensor
Fig. 5.1 Sistema de Control Asistido por Computadora
c(t) Variable controlada
5.2 Sistemas de Adquisición de Datos Los sistemas de adquisición de datos (SAD), es una interface que permite retroalimentar información de la o las variables del proceso, a la PC dentro del control asistido por computadora. Es un sistema cuya complejidad depende del número de variables del proceso y de los requerimientos de precisión del control.
Elementos de un sistema de adquisición de datos. Dado que el sistema de adquisición de datos, permite comunicar información a la PC sobre los valores actuales de las variables a controlar dentro del proceso. La comunicación debe ser de tal forma, que la PC los pueda entender y procesar de acuerdo a una estrategia previamente establecida y que caracteriza al sistema de control. Con los antecedentes de que mientras el acceso y el procesamiento de la información a la PC es digital, las variables en el proceso son del mundo analógico y la manera que en que se toman del proceso los valores de las variables a controlar en tiempo real requiere de un sensor o de un grupo de sensores. Las variables del proceso pueden ser: Temperatura, presión, razón de flujo, densidad, etc. Etc., no existe un sensor universal para todas las variables, cada uno lleva una estrategia de sensado y una manera de responder a los cambios en el proceso. Tomando en consideración lo anterior y algunos otros aspectos inherentes a los sistemas de control asistidos por computadora, los elementos básicos de un SAD son: Sensores Circuitos de Acondicionamiento de señal Filtros Amplificadores Amplifi cadores para instrumentación Aisladores Multiplexores analógicos Multiplexores digitales Convertidores A/D Circuitos S/H Convertidores D/A Comparadores
• • • • • • • • • • •
Generalmente en control asistido por computadora, el o los sensores no se consideran parte del SAD. En todos los casos los sensores llevan un acondicionamiento de señal, que les permite inyectar información analógica y filtrada a el SAD, para qué este procese la información de tal suerte que sea entendida por la PC y ésta trabaje con ella con la finalidad de llevar la variable a controlar, al valor deseado. Valor que se introduce a la PC, como el set point de la variable a controlar.
Modelo de un canal del SAD. Un modelo de canal austero de un sistema de adquisición de datos, es dado a continuación.
Proceso Fig. 5.3.- Canal austero de Adquisición de Datos
Acondicionamiento de la relación señal a ruido en el canal del SAD. La calidad de la señal inteligente que produce el sensor en el proceso y que aparece a la entrada del amplificador, puede ser expresada de manera compacta, mediante la relación señal a ruido (SNR), señal que produce el transductor por efectos de cambios en la variable del proceso y el ruido que se introduce por efectos de interferencias que se filtran en el cableado. Luego entonces hay una relación señal a ruido en la entrada del amplificador ( Señal de modo común ). En el modelo anterior no contempla los errores que se producen al conectar el sensor con los conductores conductores a la entrada del amplificador. Una expresión de la relación señal a ruido a la entrada del amplificador es dada por la siguiente expresión. SNR a la entrada del amplificador =
El tipo de cableado entre el sensor y la entrada del amplificador define el valor RMS típico de la interferencia inducida. Por otro lado el amplificador presenta una razón de rechazo de modo común (CMRR), que se define por las relaciones señal a ruido de la entrada y la salida del amplificador. CMRR =
SNR a la salida del amplificador = SNR a la entrada del amplificador. (CMRR)
2
Generalmente de diseña para una SNR a la salida del amplificador mayor de 100 La ganancia en el proceso de elevar la relación señal a ruido a la salida del filtro, el filtro generalmente es un pasa bajos, se expresa por la siguiente relación: Ganancia del proceso =
= �� �� �� ����� �� �����
Finalmente la ganancia del proceso de elevar la relación señal a ruido desde la salida del sensor hasta la entrada del convertidor A/D, del canal austero del SAD, está dado por la siguiente relación:
=
Para lograr una calidad de señal digital binaria equivalente a la salida del convertidor A/D, se requiere que a la entrada del convertidor, la señal a la salida del filtro tenga una alta relación señal a ruido.
Acondicionamiento de la señal inteligente del sensor El acondicionamiento de la señal inteligente del sensor o tranductor, es importante por varios aspectos: El sensor es elemento que lleva información del valor actual de la variable a la entrada del SAD que es la interface entre el mundo analógico y la PC digital, el tipo de variable define el tipo de sensor, el proceso también define la naturaleza del sensor y el cumplimiento de algunos estándares dependiendo del ambiente del proceso. El acondicionamiento de señal inteligente del sensor o transductor, lleva la intención de suministrar la señal representativa de la variable a sensar con el mínimo de error posible. Tiene que ver con los siguientes aspectos del control asistido por computadora: • • • •
•
La distancia del SAD al proceso El tipo de sensor y su estrategia de sensado Los requerimientos requerimiento s y exactitud del control asistido por PC El ambiente del proceso (corrosivo, húmedo, radioactivo, extrema alta temperatura, entre otros) La linealidad de la respuesta del sensor
El acondicionamiento de la señal, tiene que ver con la eficiente transmisión de la señal que sale del sensor y que ingresa a uno de los canales del SAD. La magnitud de la señal debe contener la información del valor de la variable de interés en el proceso.
Un cuadro indicativo de los requerimientos de acondicionamiento de señal a la entrada del canal del SAD, para algunas variables es dada a continuación. Variable
Sensor o Transductor
Respuesta del sensor a cambios de la variable 0
Temperatura
Termocupla
Voltaje ( α en µV/ C)
Temperatura
RTD
Resistencia
Temperatura
Thermistor
Resistencia
Temperatura
IC sensor
Corriente (α en µV/ K)
Razón de Flujo
Sensado multipunto
Instrumento analítico ( V/ m/s)
Cantidad de flujo
Sensado multipunto
Instrumento analítico (V/m /s)
3
Acondicionamiento de señal requerido Linearizar, amplificar y compensar errores Conversión R-V, amplificar, linearizar Insertar en puente de Wheastone, amplificar, linearizar Conversión i – v, amplificar Operadores analógicos, compensar errores de transmisión de los sensores, linearizar Operadores analógicos, compensar errores de transmisión de los sensores, linearizar
Fig. 5.4.- Tabla comparativa de respuesta y necesidad de acondicionamiento
Un ejemplo de acondicionamiento de señal a la entrada del canal del SAD Sea T la variable temperatura en un proceso donde se requiere controlar la temperatura entre los rangos 200 ≤ T≤ 350 0C, temperaturas intermedias. Un sensor adecuado si no muy lineal, es regularmente lineal en el rango de sensado, podría ser una termocupla Tipo K de materiales Cromel (+) y Alumel (-), con un coeficiente de temperatura α = 40 µv/ 0c. Si consideramos que se usa cableado par trenzado para reducir la entrada de interferencia y tener una adecuada SNR en la señal de modo común del sensor y si el cableado es de cobre hasta la entrada del amplificador del SAD. Tendremos las siguientes situaciones que requieren de acondicionamiento de señal a la entrada del canal del SAD. Se introducen termocuplas adicionales indeseables, en este caso dos de coeficientes de temperaturas desconocidos. Debido a lo anterior el voltaje de entrada al canal del SAD, que debería de ser el voltaje de la termocupla tipo k a la temperatura T, lleva un error.
Fig. 5.5.- Introducción de errores al acoplar el sensor a la entrada del Canal del SAD 5.5.- Introducción de errores al acoplar el sensor a la entrada del Canal del SAD El error se puedeFig.visualizar desde el circuito termoeléctrico equivalente del circuito de pre acondicionamiento del sensor.
Fig. 5.6.- Circuito termoeléctrico equivalente
Una manera de compensar el error, es decir hacerlo cero o mínimo, es usando un tipo de compensación por hardware, usando un puente de Wheastone para producir un voltaje de desbalance de polaridad adecuada, que al sumarse algebraicamente con el Verror, el Verror final sea cero.
Fig. 5.7.- Circuito de corrección de error
Usando el ajuste de calibración del puente, se puede lograr un voltaje de desbalance de polaridad adecuada de tal suerte que se anule el voltaje de error. De esa manera el voltaje de entrada al canal del SAD es el del voltaje a la temperatura del proceso.
Un multímetro digital y una fuente de temperatura constante podría ser de utilidad para lograr la calibración de del circuito de acondicionamiento de señal del sensor. Ejemplo: Usando una termocupla tipo K y fuente de temperatura constante de T = 100 0c, el voltaje a la entrada del canal del SAD supongamos es de 4.25 mV, cuando debería de ser Ventrada= αT = 40µV/ 0c( 100 0c ) = 4 mV es decir existe un error de .25 mV. Si ajustamos la calibración en el puente de tal suerte que se produzca un voltaje de .25 mV de polaridad adecuada, el voltaje de entrada corresponderá a los 4 mV que es el voltaje a la temperatura que produce el sensor, libre del error y a la entrada del canal del SAD.
Acondicionamiento de señal con salidas estándar configurables Actualmente son diseñados y existen en el mercado, módulos de acondicionamiento acondicionamient o de señal que aceptan como entradas sensores como: Termocuplas, RTD, presión, tensión, flujo, …, con salida estándar configurable: 0 – 5VDC, 0 – 10VDC, 0 – 20 mA, 4 – 20 mA. Lo anterior directament directamente e conectable conectable al Sistema Sistema de Adquisición Adquisición de Datos.
5.2 Control Supervisorio Remoto El control supervisorio remoto generalmente va asociado a un sistema de adquisición de datos, en el argot de los sistemas de control generalmente nos referimos a dicho control como sistema SCADA. La expresión “SCADA” es por las iniciales de la expresión en inglés “Supervisory Control And Data Adquisition”, que en nuestro idioma se traduce como “Control Supervisorio y Adquisición de Datos”. Cuando nos queremos referir a los sistemas de control supervisorio remoto, nos referimos como sistemas SCADA. El control supervisorio remoto nos permite obtener y procesar información de procesos industriales diversos y generalmente dispersos y de actuar en forma remota sobre los mismos. Significa que permite supervisar de manera simultáneamente procesos e instalaciones industriales distribuidas en grandes distancias. Son ejemplos típicos de
aplicación: Las redes de distribución eléctrica, sitios de comunicación diversa, oleoductos, gasoductos.
Elementos de un Sistema de Control SCADA Los elementos básicos de un sistema de control supervisorio remoto, de los denominados SCADA: Interface hombre – máquina, Unidad maestra, Elementos o canales de comunicación, Unidades terminales remotas (UTR’s), Sensores o transductores.
UTM
Estación de Traba Traba o
Canal de Comunicación
UTR
Sensores o Transductores
Proceso Fig. 5.8.- Control Supervisorio Remoto
El corazón de de un sistema de control supervisorio remoto es la Unidad Terminal Maestra (UTM) o Estación Maestra. Es un recurso de computación que recoge información de las UTR’s procedente de los sensores de el o los procesos dispersos y
genera comandos de control remoto. La UTM realiza tareas de almacenamiento de datos históricos, programación para realizar reportes y estadísticas del proceso. El intercambio de información entre la UTM las UTR’s inicia desde la UTM interrogando de manera secuencial a cada UTR sobre la información que posee, al terminar con la última UTR se reinicia el proceso. El software que maneja la UTM es el adecuado para adquirir, almacenar y procesar datos, desplegar señales de alarmas sobre valores fuera de lo normal de las variables del proceso y del lugar donde se generan tales señales de alerta y su nivel de importancia, generar reportes para corrección de desperfectos en campo dentro del proceso y en algunos casos específicos el envío de comandos de control. Un sistema operativo es la plataforma que permite operar eficientemente la UTM, al igual que la interfaz hombre-máquina (Estación de Trabajo). Un operador o un grupo de operadores en la estación de trabajo, dependiendo de lo complejo del proceso remoto a controlar, pueden monitorear en tiempo real y en su caso controlar las variables de un proceso remoto. En la estación de trabajo y mediante una PC, un operador se entera de los cambios que tienen lugar en los procesos remotos y sus variables asociadas y mediante medios de impresión genera reportes diarios y de trabajo de mantenimiento preventivo y correctivo de los procesos monitoreados. Las Unidades Terminales Remotas ( UTR’s) son instaladas cercanas al proceso que será monitoreado de manera remota, estas unidades remotas son basadas en microprocesador y cuentan con interfaces de entrada y salida analógicas y digitales. Las UTR’s por un lado recogen información de las variables del proceso y por otro almacenan y transmiten dicha información a la UTM central cuando se las requieren. Otra de las funciones es la detección de alarmas, cuando las señales que provienen de los sensores sobrepasan los límites de operación, los cuales se encuentran almacenados en la misma terminal remota. Los límites o niveles almacenados son: Muy alto, alto, bajo, muy bajo. Y las prioridades son: Critica (peligro para equipo y/o personas), Precautoria (no requiere acción inmediata del operador), De sólo guía para el operador( baja prioridad), de eventos de muy baja prioridad. Las señales de alarma para las variables del proceso se generan cuando los valores alcanzan los niveles muy alto o muy bajo. La UTR debe registrar los instantes de entrada y salida de condición de alarma. En la estación de trabajo por medios impresos y sistemas audibles deben ser registradas de manera individual y en resumen las alarmas generadas. Incluyendo: El status de nivel y prioridad de la alarma, el lugar, el proceso, la variable y el instante. Las alarmas no reconocidas por el operador permanecen intermitentes hasta en tanto no sean atendidas, al ser atendidas cambian de color dependiendo de la prioridad, los colores típicos son: Rojo para la más alta prioridad, seguido del amarillo, el gris y azul. Para garantizar la confiabilidad del sistema, el sistema SCADA es diseñado con recursos redundantes, duplicando el procesamiento de los datos y almacenamiento de información. La UTM consta de dos computadores maestras, una de las cuales es redundante. En ellas se ejecuta el software del servidor bajo un sistema operativo en tiempo real, multiusuario, multitarea y con interfaz gráfica de ventanas y donde se va almacenando la información de campo en una base de datos de tiempo real. Los datos en tiempo real, históricos y toda la información necesaria es enviada a las estaciones de operación a través de una red local o a través de módem.
Cada uno de los computadores que constituyen el conjunto UTM, es capaz de operar independientemente y están configurados en “Host-Stand by”, de tal manera que una unidad se considera la principal o en línea mientras la otra se considera de respaldo. La maestra de respaldo se mantiene energizada y debe contar con la información de la base de datos, despliegues, cargas, etc. Actualizados. Esto permite asumir el completo control del sistema al ocurrir una falla en la maestra principal. Este tipo de configuración permite maximizar la disponibilidad y confiabilidad del sistema.
5.3 Control Digital Directo El caso anterior, es el caso de un control dedicado asistido por computadora. Para cada variable a controlar, se debe tener un lazo típico simplificado de control digital como el mostrado a continuación. Simplificado ya que no muestra todos sus elementos, el convertidor A/D representa de manera simplificada el sistema de adquisición de datos.
r(k)
u(k)
u(t)
PC
y(t)
D/A
Proceso
A/D
Sensor
y(k)
k = 0, 1, 2, 3, … y un periodo de muestreo T adecuado Fig. 5.9 Lazo típico de Control digital directo
5.4 Instrumentación Virtual Introducción Sin lugar a dudas uno de los elementos fundamentales de la vida moderna y sus avances lo es la computadora personal, un instrumento abierto a la creatividad del hombre en cuanto a sus aplicaciones, abierto a la competitividad de las empresas fabricantes de este tipo de sistemas de cómputo para ofrecer software y hardware y accesorios cada vez más accesible en cuanto a precio, pero sobre todo, cada vez más
amigables, para el usuario. En cuanto a las aplicaciones, el campo de la instrumentación virtual no se ha quedado atrás, con un tiempo aproximado de desarrollo de 20 años, buscando la manera de hacer de la PC una herramienta científica en el campo de la instrumentación y control. La compañía National Instrument, ha sido la pionera en este campo por lo menos la más conocida a nivel de instituciones educativas; Actualmente y en este mundo globalizado y altamente competitivo, cada vez son más los ingenieros que utilizan el desarrollo de la instrumentación virtual con fines de medición y control de variables y procesos, dentro de los cuales se incluyen variables eléctricas y variables asociadas a fenómenos físicos tales como: Presión, temperatura, humedad, entre otras. Los Instrumentos independientemente de su naturaleza virtual ( VI’s ) o tradicional ya sea analógico, digital o híbrido; realizan la misma función, toman datos por medio de un sensor, procesan esos datos, y muestran los resultados asociados a una variable la cual se pretende cuantificar o por lo menos detectar. La gran diferencia entre los instrumentos virtuales y los tradicionales es la flexibilidad de los Vis, los cuales son desarrollados por los usuarios y su creatividad uniendo el potencial de su PC con el software y hardware, así como los accesorios requeridos de acuerdo a sus necesidades. Los instrumentos tradicionales son de propósitos específicos los alcances del instrumento son diseñados por los fabricantes difícilmente pueden ser modificados por los usuarios, sobre todo por el costo y el beneficio. Los osciloscopios, voltímetros en general los instrumentos tradicionales están virtualmente a un paso paso de formar parte del pasado. El futuro, es la instrumentación virtual y todo su prometedor potencial; la gran velocidad de los nuevos procesadores, la gran capacidad de las PC portátiles, las grandes oportunidades de conectividad existentes y sobre todo la accesibilidad cada vez mayor a las herramientas de cómputo a nivel mundial, la relación costo – beneficio en el desarrollo y mantenimiento de sistemas de Instrumentación y control, son la base del futuro promisorio de los VI’s. Existen en la actualidad una gran variedad de instrumentos en el campo campo de la instrumentación virtual, naturalmente asociados a la PC. 1. 2. 3. 4. 5.
Multímetros Digitales ( DVM’s) Osciloscopios Instrumentos para cuantificar temperatura Analizadores de datos y de señal dinámicos Generadores Multifunciones
Los instrumentos y su flexibilidad asociada, está en su programación y su versatilidad, y posibilidad de desarrollo, la velocidad velocidad de procesamiento de la información, de almacenamiento de datos y la conectividad; ampliamente aprovechada por la creatividad del usuario. Los datos de una variable bajo medición se transfieren desde el instrumento hacia la propia PC, vía su propio bus son de gran utilidad, con fines de medición y de control.
Actualmente existen entornos de desarrollo de aplicaciones en instrumentación virtual como el LabVIEW, para crear instrumentos de gran potencialidad. Con simples rutinas se pueden realizar análisis estadísticos de datos, escalamiento de los mismos, análisis de tiempo y frecuencia, etc. Los instrumentos para PC, son los instrumentos ideales para instrumentación y automatización industrial.
Buses para instrumentación El futuro de los sistemas de buses para pruebas y mediciones, está en la siguiente dirección: •
•
•
•
El bus USB es ahora el más popular, provee una razón de transferencia de datos por encima de los doce Mbytes/seg. El bus USBII es una versión mejorada del USB, con capacidad de transferencia de 480 Mbytes El bus IEEE 1394 con capacidad de transferencia de 400 Mbyte/seg., un simulador de GPIB desarrollado recientemente es el llamado IICP, un protocolo de control Industrial y de Instrumentación Redes Ethernet que usan protocolos TCP/IP, transfieren datos a razón de 1 Gbytes/seg, para simular el bus GPIB, se desarrollo el llamado VXI-11.
Buses GPIB
El Bus GPIB fue inventado por la compañía Hewlett Packard al final de la década de los sesentas del siglo pasado, lo anterior con la intención de crear un sistema de bus altamente confiable, para conectar computadoras e instrumentos de medición y control. El sistema de red de referencia, contaba con todas las modalidades y requerimientos para crear un sistema de medición, confiable y con respuesta en tiempo real. Originalmente el bus GPIB creado por la compañía HP ( actualmente Agilent Technologies ), se llamó HPIB (Hewlett Packard Interface Bus ). En la década de los setentas del mismo siglo pasado, el HPIB se estandariza como GPIB ( General Purpose Interface Bus ) con el número de estándar IEEE488.1 Por efectos de estandarización internacional, los estándares para ese mismo bus, se renombró como IEC625.1 para finalmente quedar como IEC625.1 finalmente. Por lo anterior y debido a épocas de la estandarización, actualmente existen varios estándares para definir el mismo sistema. Algunas propiedades del Bus GPIB: Razón de transferencia 1Mbytes/seg., hasta quince instrumentos pueden ser conectados al controlador (Computadora que controla
el bus de tráfico ), controles adicionales: Requerimiento de Servicio ( SQR ), Habilitador remoto (REN ), Indicador de fin de transferencia de datos ( EOI ), Discriminador entre transferencia de datos y mensajes de control. En relación al software y hardware asociado con el bus GPIB, la compañía National instrument ha desarrollado la tecnología suficiente para asegurar el amplio uso del bus GPIB, una muestra lo es la interface TNT 4882C ASIC, este permite el protocolo GPIB de alta velocidad HS488, lo cual permite transferir datos a gran velocidad de hasta 8 Mbytes/ Seg., usando un cable GPIB. Además incrementa el rendimiento de sistemas GPIB, eliminando retardos de otras interfaces como la IEEE488, el HS488 como ampliación del propio IEEE488, puede funcionar con otros dispositivos de ese mismo tipo, el HS488 es manejado a nivel hardware por el integrado TNT 4882, velocidades límite de transferencia de datos dependen de las características de la PC así como de su configuración.
Circuitos integrados de Interfaz GPIB para Instrumentos National Instruments proporciona una fuente confiable de interfaces ASIC GPIB para programadores y desarrolladores de instrumentos programables.
Interfaces GPIB Lectura/Escritura TNT4882I y TNT 4882 de alta velocidad
.
El PQFP de 100 pines TNT4882I y TNT4882 incluye un controlador completo de interfaz GPIB y repetidor GPIB en un solo circuito integrado. También implementan transferencias de datos GPIB HS488 de alta velocidad hasta 8 Mbytes/s.
NI-488.2 – Rendimiento, compatibilidad y un camino c amino hacia el futuro Los usuarios de los productos GPIB de National Instruments han disfrutado de un nivel de compatibilidad de software inmejorable en la industria. La arquitectura de software NI-488, un estándar de facto en la industria, ha mantenido el mismo API durante una década. Cada generación de la librería ha mantenido su compatibilidad con la base instalada de aplicaciones NI-488 existentes entre diversas plataformas y una gran variedad de opciones de hardware GPIB. La arquitectura de software NI-488 es el fundamento sólido del control GPIB, ya sea que haya escrito su propio programa utilizando funciones NI-488.2 o esté usando un entorno de desarrollo, como LabVIEW o LabWindows/CVI. LabWindows/CV I. Actualmente, Actualmente , se ha mejorado el software NI-488 para ser compatibles con la tecnología ASIC GPIB, incrementando significativamente el rendimiento y eficiencia de la librería con cada nueva generación de hardware. Hoy en día, los sistemas operativos de 32 bits como Windows NT y Windows 95, combinan la efectividad, el bajo costo, interfaz fácil de usar, la fiabilidad y creciente robustez de los PCs de propósito general, para proporcionar a los usuarios una plataforma económica para el uso de instrumentos de control basados en GPIB. Es
evidente que National Instruments puede proporcionarnos herramientas para superar sus retos de desarrollo e incrementar el rendimiento y flexibilidad que los PC’s personales y estaciones de trabajo. Uno de los frutos de la tecnología emergente es la arquitectura del bus PCI. PCI es el bus de E / S de expansión de facto para para los PC’s de escritorio y estaciones de trabajo. Puesto que se ofrecen muchas librerías en software, el usuario del bus PCI puede invertir en una sola tarjeta insertable y utilizarla en una PC con arquitectura Intel, una Power Macintosh o una estación de trabajo de escritorio. Otro estándar de hecho, es la tarjeta de interfaz PC Card (PCMCIA). Comúnmente utilizada en PC’s portátiles, PCMCIA-GPIB integra la funcionalidad de una tarjeta insertable de tamaño normal con el tamaño de una tarjeta de crédito, proporcionando el medio ideal para soluciones de control portátiles en GPIB. Están en el mercado, librerías NI-488.2 para Windows NT/95/3.1, Mac OS, y versiones Japonesas de Windows.
Fig. 5.10.- Tarjeta de interface PCMCIA - GPIB
Líneas físicas, dispositivos, mensajes, datos y soluciones Tipos de mensajes GPIB Dispositivos GPIB se pueden comunicar con otros dispositivos GPIB enviando mensajes de dispositivos dependientes y mensajes de interfase por medio del sistema de interfase.
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Mensajes de dispositivos dependientes, llamadas de datos o mensajes de datos; contiene información específica del dispositivo: instrucciones de programación, resultados de mediciones, archivos de datos, estatus de la máquina. Mensaje de interfase de administración de bus, llamados mensaje de comandos, los mensajes de interfase: Inicializan el bus, accesan o desaccesan dispositivos, establece modos de dispositivos para programación local o remota.
Transmisores, receptores y controladores Dispositivos GPIB pueden ser clasificados: transmisores, receptores y/o controladores. Transmisores: envían datos a uno o más receptores. Receptores: reciben datos. Controlador: maneja el flujo de información sobre GPIB enviando comandos a todos los dispositivos. El rol del GPIB controlador es algo similar al CPU de una computadora, pero una mejor comparación sería como el centro de switcheo de un control telefónico de una ciudad. El controlador GPIB monitorea la red de comunicación cuando el controlador nota que un dispositivo quiere hacer una llamada (enviar mensajes de datos) este conecta las llamadas (transmisores) con los receptores. El controlador usualmente habilita un transmisor con un receptor antes que el transmisor pueda enviar mensajes al receptor. Después de que el mensaje sea transmitido, el controlador puede habilitar otras llamadas con los receptores (transmisores con receptores). Algunas configuraciones GPIB no requieren controlador por ejemplo un dispositivo que esta siempre transmitiendo, este conecta a uno o más receptores solamente. Las funciones del controlador son usualmente manejadas por una computadora, la computadora con el hardware y software apropiado, podría efectuar el rol de un transmisor / receptor y controlador.
GPIB señales y líneas El sistema de interfase del GPIB consiste de 16 líneas de señales, ocho retornos de tierra o líneas de escudo de drenaje. Las 16 líneas de señales son agrupadas en: 8 líneas de datos, 3 líneas de confirmación de datos y 5 líneas para administración de la interfase.
Fig. 5.11.- Interfase GPIB, Líneas y señales.
Líneas de datos Las ocho líneas de datos DIO1 ... DIO8, pueden portar mensajes de comandos y mensajes de datos. El estado atención de líneas (ATN), determina si la información es dato o comando. Para todos los comandos y la mayoría de los datos los códigos son de 7 bits, ASCII o ISO; el octavo bit es usado para la paridad. Líneas de confirmación de datos Las tres líneas controlan asincrónicamente la transferencia de bytes de mensajes entre dispositivos; El proceso es llamado confirmación de datos tres alambres. Lo anterior garantiza que los bytes de mensaje sobre la línea de datos son enviados y recibidos sin error en la transmisión. •
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NRFD (no listo para dato), indica cuando el dispositivo está o no listo para recibir un byte de mensaje. Las líneas son manejadas por todos los dispositivos cuando reciben comandos, por receptores cuando reciben mensajes de datos, por transmisores cuando se habilita el protocolo HS488. NDAC (dato no aceptado), indica cuando el dispositivo tiene o no tiene aceptado un byte de mensaje. Las líneas son manejadas por todos los dispositivos cuando reciben comandos, por receptores cuando reciben datos. DAV (dato válido), dice cuando la señal sobre la línea es válida y puede ser aceptada de manera segura por el dispositivo. El controlador maneja DAV cuando envía comandos el transmisor maneja DAV cuando envía mensajes de datos.
Líneas de administración de interfase Cinco líneas administran el flujo de información a través de la interfase: •
ATN (Atención de línea), el controlador maneja el ATN verdadero cuando usa las líneas de datos para enviar comandos y maneja el ATN falso cuando el transmisor puede enviar mensajes de datos.
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IFC (Interfase limpia), el controlador del sistema maneja la línea IFC para inicializar el bus y convertirlo en un controlador en cargo (CIC). REN (Habilitador remoto), el controlador del sistema maneja la línea REN, la cual es usada para colocar dispositivos en los modos de programación local o remoto. SQR (Solicitud de servicio), cualquier dispositivo puede manejar la línea SRQ para pedir un servicio asincrónico desde el controlador. EOI (Fin de identificación), la línea EOI tiene dos propósitos: el transmisor usa la línea EOI para marcar el fin del mensaje, y el controlador usa la línea EOI para decirle al dispositivo que que identifique su respuesta en encuesta paralela.
Un conector GPIB del tipo
es mostrado en la siguiente figura.
Fig. 5.12.- Conector estándar Amphenol para aplicaciones de interconexión especiales
Características físicas y eléctricas Los dispositivos son conectados por un cable conductor de 24 hilos blindado, los dispositivos se pueden enlazar en dos formas: configuración lineal y configuración estrella. A.
B.
Fig. 5.13.- Configuración de dispositivos A).- Lineal, B).- Estrella
Requerimientos de configuración
Para alcanzar la más alta razón de transferencia de datos para el cual el GPIB fue diseñado. La distancia entre dispositivos y el número de ellos sobre el bus son limitados a: 4 mts de separación entre dos dispositivos y separación promedio de 2 mts del bus total. Total de cables máximo de 20 mts. 15 dispositivos o menos conectados a cada bus, con no menos de 2 / 3 en on. •
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Instrumentación IEEE488.2 •
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fácil de programar, responde a comandos comunes y a preguntas de manera bien definida mandando mensajes estándar intercambiando intercambian do formato de datos y protocolo. IEEE488.2 protocolo estándar de intercambio de mensajes, es el fundamento para el SCPI (Standart Comand for Programing Instrument) hace el sistema de programación de prueba algo fácil. IEEE488.2define IEEE488 .2define el conjunto mínimo de IEEE488.1 IEEE488. 1 de capacidad de interface que un instrumento puede tener. Todos los dispositivos pueden: enviar y recibir datos, pedir servicio, responder a un mensaje de limpiar dispositivo. Todos los instrumentos pueden efectuar ciertas operaciones para comunicar sobre el bus y reportar status. El IEEE488.2 define los comandos de programación usados para ejecutar operaciones y preguntas.
El modelo de instrumento programable SCPI En el pasado reciente, quienes manufacturaban instrumentos programables creaban también su propio lenguaje para controlar de manera remota sus instrumentos. Incluso el mismo desarrollador usaba diferentes lenguajes de programación para diferentes instrumentos. Con la idea de hacer cada vez instrumentos más versátiles y más poderosos, actualmente se ha logrado estandarizar usando un común lenguaje y sintaxis para todos los instrumentos programables, a través del SCPI ( Comandos Estándar para Instrumentos Programables). El SCPI es auspiciado por todos los manufactureros de Instrumentos programables tales como: HP, Tektronics, Fluke, entre otros. El estándar SCPI especifica la estructura y la sintaxis del comando, usado para controlar instrumentos programables vía: GPIB, RS232, USB, VXIbus. El estándar incluye comandos para otros instrumentos programables como: DMM’s ( multímetros multímet ros digitales ) y osciloscopios. Los comandos SCPI están en código ASCII, para ser fácilmente trasladados a un lenguaje de programación. Los comandos SCPI son soportados por el software de aplicación de pruebas de labVIEW en instrumentación virtual.
La estructura de un comando SCPI, sigue a la de un diagrama de árbol, inicia con un nodo raíz que define una acción clave del instrumento y las ramas conducen a otros nodos o acciones más específicas que forman parte del comando. Cada rama del del diagrama de árbol define un comando. Un ejemplo de una pequeña parte de la estructura de comandos para un DMM es dada a continuación:
MEAsure
VOLTage
DC?
DC
CURRent
AC? DC?
AC?
RATio? Fig. 5.14.- Estructura de comandos para un DMM
Los comandos son formados siguiendo las ramas de la estructura desde el nodo raíz, colocando (:) entre nodos, algunos comandos SCPI desde la estructura son los siguientes: MEASure:VOLTage:DC? MEASure:CURRent:AC? MEASure:VOLTage:DC:RATio?
El modelo de Instrumento programable SCPI aplica para todos los diferentes tipos de instrumentos. Un medio para alcanzar grupos de comandos de categorización y compatibilidad, el SCPI define un modelo de instrumento programable.
Fig. 5.15.- Modelo de Instrumento SCPI
Todos los componentes funcionales del modelo de instrumento SCPI no aplican para cualquier instrumento, un osciloscopio no tiene la funcionalidad definida por el bloque generador de señal en el modelo SCPI. •
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El ruteador de señal controla la conexión de una señal a la función interna del instrumento. Componente de la función de medida, convierte la señal en una forma preprocesada. Componentes del generador de señal convierte datos internos en una señal de mundo real. Memoria, guarda datos en el instrumento. Componente de formato, convierte datos del instrumento a la forma que pueden ser transmitidas por el bus estándar Componente de disparo, sincroniza acciones del instrumento con funciones internas, eventos externos u otros instrumentos.
Componentes de medición INPut, condiciona la señal de entrada antes de que sea convertida en dato por el block SENSe, INPut filtra, polariza y atenúa la señal de entrada, SENSe convierte la señal en dato interno que puede ser manipulado, SENSe controla parámetros, rango, resolución, tiempo de muestreo y el rechazo de de modo normal. CALCUlate, convierte los datos en un formato útil; sus funciones incluyen conversión de unidades, tiempo de evaluación, tiempo de bajada y frecuencia.
El componente de generación de señal Incluye los bloques: OUTPut, SOURce y CALCulate Bloque OUTPut: condiciona la señal de salida después de que es guardada. Incluye las funciones: filtrado, polarización y atenuación.
Bloque SOURce: genera la señal sobre una específica característica y dato interno. Realiza las funciones de parámetros de señal como: amplitud, modulación, potencia, corriente, voltaje y frecuencia. Bloque CALCulate: convierte datos de aplicación, con efectos de corrección, conversión de unidades y cambio de dominio.
Ejemplo de comando SCPI: El siguiente comando es aplicable a un DVM ( multímetro digital ), configurándolo para ser un medidor de voltaje AC, sobre una señal de 20 volts con resolución de 0.001 volts. MEANSure: VOLTaje : A C? 20, 0.001 •
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indica un nuevo comando que está por llegar los términos MENSure: VOLTage: A C instruye al DVM que la medida es de voltaje de AC ? Instruye al DVM para que regrese su medida al computador/ controlador 20 , 0.001 especifica el rango de 20 volts. y la resolución de 0.001 volt. del instrumento.
El LabVIEW un poderoso entorno e ntorno de Instrumentación y Control virtual gráfico El LabVIEW es un lenguaje gráfico de programación desarrollado por National Instrument. Los programas LabVIEW son llamados instrumentos virtuales o VI’s. En operación y apariencia gráfica, imitan a instrumentos físicos tales como: CRO’s, multímetros. La poderosa herramienta del LabVIEW permite adquirir, almacenar y analizar datos del mundo real. Permite también, construir una interface de usuario o panel de control del instrumento o sistema de control, con controles (Perillas, botones on/off, diales entre otros) e indicadores (Gráficos, leds y otros indicadores de salida) El ambiente gráfico súper amigable de este entorno de programación para generar instrumentos virtuales, permite generar un panel de control con indicadores de arranque y control de instrumentos y de procesos de control. El labVIEW permite la comunicación con hardware de adquisición de datos, visión, dispositivos de control de movimiento, también con instrumentos GPIB, PXI, VXI, RS232, RS485. Para aplicaciones de control, tal es el caso de del DAQ Multifuncional USB – 6211 de National Instrument, es un módulo de adquisición de datos, con velocidades de muestreo bastante altos para lograr gran precisión en sus aplicaciones. Con canales de entrada y salida análogos y digitales, fáciles de usar en el ambiente gráfico de LabVIEW.
5.5 Sistemas de Control Distribuido
Un SCADA no debe confundirse con un Sistema de Control Distribuido (DCS, Distributed Control System), aunque actualmente los principios y tecnologías que utilizan son muy similares. Su principal diferencia consiste en que los sistemas de control distribuido, normalmente se usan para controlar procesos industriales más complejos y restringidos al perímetro de una planta; por ejemplo, los sistemas de control de una refinería, los de una planta de GLP, etc. Etc.
Bibliografía. 1. Astrom, Karl J., Computer Controlled Systems. Theory and Design, Prentice Hall, 1984. 2. Garrett, H. Patrick, Analog Systems for Microprocessors and minicomputer, Reston Publisher Co., 1978. 3. Isermann, R., Digital Control System, Springer Verlang, 1981 4. Viera Chile, Iremis, Iremis, Artículo sobre SAD Profesora de la Universidad “Saiz Montes de Oca”, Provincia del Pinar, La Habana Cuba.
