Instrumentacion Virtual

5/12/2018 Instrumentacion Virtual - slidepdf.com

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Curso de Verano: Simulaciones en laEnseñanza.

UCLM. Puertollano (Ciudad Real) 20 y 21 de Julio de 2000

INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL(Aplicaciones Educativas)

José Manuel Ruiz Gutiérrez



INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL (Aplicaciones Educativas) José Manuel Ruiz Gutiérrez.

Curso de Verano. UCLM Puertollano Julio 2000 - 2 -

Indice

1.- Conceptos Generales sobre Instrumentación

2.- Operadores e Instrumentos Virtuales

3.- Areas de Aplicación de la Instrumentación Virtual

4.- Arquitecturas Básicas de un Sistema de Adquisición de Datos (SAD)

5.- Lenguajes y Entornos orientados a la Instrumentación Virtual

6.- Sistemas aplicados a la industria: SCADAS





1 Conceptos Generales sobre instrumentación.-

El desarrollo de la informática industrial ha permitido en los últimos años laincorporación de una serie de herramientas tanto a nivel de Software como Hardwareque están provocando una gran transformación en la concepción y diseño de sistemas de

instrumentación, análisis y control de procesos en los que intervengan variables físicasexternas procedentes de una planta o ambiente real.

1.1. Concepto de instrumento:

Entendemos por instrumento aquel sistema encargado de recoger una señal dedeterminada naturaleza y procesarla para mostrar o registrar su valor haciendo uso de unsistema de representación electromagnético (instrumentos de aguja) electrónico(display), registro gráfico sobre el papel, señal acústica, óptica, etc..

Esta definición pertenece ya al pasado dado que la incorporación del ordenador en losprocesos de medida significa que los instrumentos clásicos que se utilizaban hasta haceunos años se ven sustituidos por el monitor de un ordenador o por una unidad dealmacenamiento de datos, un módem, etc...

La posibilidad de interaccionar con uncomputador en el proceso de medida hapermitido la creación de verdaderos equiposde instrumentación basados en unaarquitectura computacional auxiliada de unhardware adecuado.

Figura 1

La conversión fiable de señales de naturaleza analógica en señales digitalesmediante unidades convertidoras A/D, la velocidad de conversión ,la disminución de losniveles de discretización de las señales a convertir, la posibilidad de implementar busesorientados a la instrumentación y el desarrollo de protocolos muy fiables decomunicación entre unidades son entre otros los factores que han permitido el desarrollode la nueva instrumentación asistida por computador (IAC).

Un instrumento convencional tanto electromecánico como electrónico tiene grandeslimitaciones de cara a las demandas actuales en las aplicaciones tanto industriales comoeducativas o de investigación. Las señales que se recogen del “mundo físico” han de sertratadas a través de complicados algoritmos matemáticos que conforman un ampliocampo de la instrumentación que es el de los “sistemas digitales de procesamiento deseñal” DSP gracias a los cuales se pueden realizar aplicaciones de altas prestaciones enel campo de las medidas: Análisis espectral de las señales, filtrado de señal, estudio detransitorios, estudio estadístico de la señal, etc..





2 Operadores e Instrumentos Virtuales.-

2.1 ¿Qué es un instrumento virtual (IV)?.

Se define así aquella aplicación informática que permite la manipulación de unos datos

o valores realizando sobre ellos tres grandes tipos de operaciones: Procesamiento,presentación y almacenamiento o transmisión.

• El procesamiento de los datos permite la elaboración y análisis de lainformación que se lee, y consiste en la aplicación de algoritmos, en la mayoríade los casos de tipo matemático.

• La presentación es la operación de visualización de los datos elaboradoshaciendo uso de los recursos gráficos de un entorno o un lenguaje orientado a lainstrumentación virtual. Gráficos de barras, tendencias, instrumentos analógicos,

sliders, indicadores luminosos, sonoros, etc..

• El almacenamiento y/o la transmisión es la operación que permite el registrono destructivo de la información para su posterior tratamiento estadístico o elenvío mediante redes a otros computadores o unidades remotas.

Los datos que se procesan en una aplicación de IV son recogidos del mundo físicomediante un hardware de adquisición que se encarga de conducir las señales desde elsensor y su acondicionador hasta el ordenador, a través de puertos de comunicación

convencionales del tipo RS-232, Centronics, u otros de propósito especificodirectamente unidos al bus interno del computador.

Así pues, podemos decir que, en el proceso completo de la medida a través delordenador intervienen tres elementos básicos:

• Sensor-Acondicionador

• Hardware de adquisición de datos: Tarjetas, buses, puertos, etc..

• Ordenador

• Software: Gestión de comunicación (drivers), Lenguaje de programación

gráfico o entorno de presentación y tratamiento de los datos

Fig.2





2.2 Ventajas e inconvenientes de la Instrumentación Virtual.

En el cuadro se muestran las principales ventajas e inconvenientes de la instrumentaciónvirtual.

INSTRUMENTO CONVENCIONAL INSTRUMENTO VIRTUALVendedor definido Usuario DefinidoFunción específica con límite de conectividad Conectividad total a redes y perif.La clave es el Hardware El software es la claveCostoso EconómicoCerrado. Escasa flexibilidad Abierto. Totalmente funcionalDesarrollo Tec. Lento Desarrollo Tec. RápidoElevado costo de desarrollo y Manteni. Bajo costo de desarrollo y Manteni.

Un rápido vistazo a este cuadro nos permitirá deducir que las ventajas de los IV sonmuy atractivas y realmente el futuro de la instrumentación esta orientado hacia este tipode tecnologías.

Mientras que un instrumento convencional esta definido y diseñado por un fabricantecon carácter general, un instrumento virtual permite cuantos cambios queramos realizaradaptándolo en cada caso a la aplicación requerida, bastará con poseer un buenhardware de adquisición de datos para poder implementar un instrumento de altasprestaciones en nuestra aplicación.

La conectividad de un instrumento hace referencia a la capacidad de adaptación aun determinado escenario de medida. En el caso de instrumentos convencionales detipo electrónico esta capacidad se ve acotada a las características del aparato, por lo que

su rango de medida, precisión, velocidad de muestreo, etc, vendrán fijados deantemano. Sin embargo en un instrumento virtual estos y otros muchos parámetrospodrán ser configurados por el usuario. Los instrumentos virtuales, como veremos a lolargo de este trabajo, permiten conectarse de muy diversas maneras a redes con distintosprotocolos.

La posibilidad de programar tanto la interface de usuario del instrumento (carátula)como la incorporación de algoritmos de tratamiento de los datos (análisis, cálculo,almacenamiento...) es una gran ventaja ya que de este modo bastará con que el usuario,mediante el software adecuado modifique la aplicación.

La tecnología utilizada en la instrumentación virtual es de un gran dinamismo, lo cualsignifica que en cada momento se adapta a las necesidades del mercado. Por otro ladolos costos de desarrollo de esta tecnología son muy inferiores a los de las tecnologíasconvencionales, siendo estos factores vitales para el desarrollo tecnológico.





3 AREAS DE APLICACIÓN DE LA NSTRUMENTACIÓNVIRTUAL.

Las áreas de aplicación de la IV son muy diversas, tanto como los es el propio campo

de la instrumentación y la metrología convencional. En nuestro trabajo no pretendemosrealizar una taxonomía de las aplicaciones ya que eso nos llevaría mucho tiempo. Paranuestros objetivos realizamos una clasificación en cuatro grandes grupos deaplicaciones:

• Simulación

• Medidas

• Análisis de Datos

• Control

Estas aplicaciones se pueden agrupar a su vez en ámbitos o áreas de utilización dado

lugar a una segunda forma de clasificación :

• Educativas

• Investigación

• Industriales

La IV aplicada a la simulación es un poderoso instrumento de desarrollo que permite encualquiera de los ámbitos que hemos reseñado anteriormente. En el campo de lossimuladores no solo es necesario disponer de entornos que nos permitan modelar lossistemas sino que además es preciso disponer de herramientas virtuales mediante las

cuales poder realizar la medida y visualización de los variables que sean objeto deanálisis. De este modo en la actualidad existen herramientas de simulación queincorporan verdaderos laboratorios de medida, mediante los cuales el diseñador o elalumno puede experimentar, son los llamados WorkBench (bancos de trabajo) quetanto juego nos están dando a los profesores en nuestro trabajo.

Las técnicas de medición auxiliadas por la IV ponen al servicio de la instrumentaciónuna interesante herramienta. Un instrumento de medida ya no es una carcasa dentro dela cual existe un hardware que permite la medición de una magnitud física mediante unsensor y una instrumento de aguja, o un display numérico. Ahora la medición realizadaa través de un “sistema de adquisición de datos” SAD y un ordenador (figura 3)

aporta muchas mas posibilidades.

Fig. 3

La posibilidad de realizar el análisis de los datos recogidos de un proceso supone unanueva dimensión de la instrumentación que es el “análisis de los datos”. Este nos

permite conocer con mayor precisión la naturaleza de los fenómenos físicos y la





posibilidad de deducir importantes conclusiones en relación al campo de la laestadística, y el modelado de sistemas físicos.

Las técnicas de control han dependido siempre de la instrumentación, pues comosabemos, para ejercer control sobre un sistema físico es preciso medir una serie de

variables físicas tanto de entrada como de salida en el sistema. En este sentido los IVpermite no solo el disponer de las variables de control sino que por si mismo uninstrumento virtual puede estar asociado a un modelo computacional de control yconstituir en si mismo un regulador de tipo PID, servosistema, controlador difuso etc..

3.1 Aplicaciones educativas de la Instrumentacion Virtual.

3.1.1 Laboratorios virtuales.

Posiblemente la instrumentación virtual representa el paradigma más importante dentrode las herramientas informáticas aplicadas a la educación. En la educación es necesario

disponer de instrumentos cuyo manejo permita al alumno desarrollar esquemasmentales que le acerquen a la realidad cognitiva de la parcela de conocimiento en laque se este realizando la instrucción. Las actividades orientadas a la simulación van anecesitar de “entornos virtuales” en los que instrumentos y operadores esténrepresentados mediante objetos virtuales. De esta forma podemos hablar de“Laboratorios Virtuales”.

Pensemos en un laboratorio real, y estudiemos la cantidad de objetos e instrumentos quedebe incorporar para poder ser lo suficientemente flexible como para realizar una gamaamplia de prácticas ya diseñadas así como facilitar la creación de otras nuevas ypermitir en definitiva el “aprendizaje por descubrimiento” que todos sabemos yreconocemos ligado a la experimentación.

Fig. 4

De acuerdo con la figura 4 podemos deducir que con el circuito electrónico de la partede izquierda solo podremos realizar unas prácticas determinadas (las que se deriven delhardware que contiene) sin embargo con el ordenador podremos simular el circuito de laizquierda y otros muchos más, haciendo uso de un conjunto de herramientas desimulación a las que hemos calificado de laboratorio virtual.

Las principales ventajas que aportan estas aplicaciones informáticas son:

• Facilitan el aprendizaje

• Incorporan Operadores tecnológicos

• Están dotados de interfaces “Amigables”





• Permiten representaciones Espaciales

• Son sencillos e manejar

• Incorporan Toolbox muy variadas

• Realizan simulaciones temporales (continuas y discretas)

En el ámbito educativo es muy importante que los instrumentos de aprendizajeincorporen los atributos reseñados anteriormente. El alumno podrá realizar tareas muydiversas tanto programadas por el profesor como inspiradas por el mismo.

3.1.2 Operadores Virtuales:

Con este calificativo quiero designar de manera muy genérica a cualquier objeto ounidad básica de un “Laboratorio Virtual” que se pueda asociar a un objeto u operadortécnico de la vida real.

El término “Operador Técnico “ es de muy reciente uso en el campo de la educación yesta ligado al área de conocimiento curricular denominada “Area Tecnológica” quecomo sabemos se ha incorporado a la Educación Secundaria y el Bachillerato.

Dentro de los objetivos educativos de esta reciente área se encuentra el de acercar alalumno al conocimiento de las herramientas, instrumentos y sistemas técnicos quenos podemos encontrar en la vida cotidiana. Se trata de que conozca los mecanismosque explican su funcionamiento, las aplicaciones y las consecuencias e implicaciones desu uso en la vida cotidiana.

El conjunto de operadores técnicos es muy amplio y podríamos clasificarlo de muydiversas formas. Una de estas formas de clasificación seria encuadrarlos dentro de unode los siguientes grupos:

Ø Operadores mecánicos: Engranaje, válvula neumática, cremallera

Ø Operadores eléctricos: Lámpara, interruptor, bobina, condensador, timbre,

etc...

Ø Operadores electrónicos: Transistor, diodo led, amplificador operacional

O bien se podrían clasificar como

Ø Operadores de medida: Voltímetros, amperímetros, etc..Ø Operadores sensores: Sonda de luz, micrófono, sonda de temperatura,

interruptor, etc..

Ø Operadores actuadores: Relé, lámpara, motor, etc..

Ø Operadores sistemas: Termostato, polea, alarma, etc ...

Estos tipos de operadores técnicos al convertirse en virtuales forman parte de una cajade herramientas “Toolbox” de la que se podrán extraer para realizar un determinadoexperimento, teniendo la posibilidad de crear distintos escenarios de simulación enfunción de los valores que demos a cada uno de sus parámetros, operación que recibe el

nombre de “parametrización de operador”.





3.1.3 Características de los Operadores Virtuales:

La concepción de un entorno de simulación tipo “Laboratorio Virtual” exige que setengan en cuenta distintos aspectos educativos relacionados con los mecanismos delaprendizaje. La representación de escenarios virtuales no siempre se hace del modo

adecuado y en ocasiones nos encontramos complejas herramientas que planteandificultadas en su uso. Un operador virtual, del tipo que sea, debe cumplir entre otroslos siguientes requisitos:

q Representación gráfica que permita la fácil identificación y asociación aloperador real (esquema, icono, etc..).

q Fácil identificación de sus parámetros de entrada y salida.q Posibilidad de estar asociado a objetos susceptibles de ser animados o que

permitan adoptar formas y/o colores mediante los cuales se pueda identificarsu estado de funcionamiento (color de lámpara encendida y color de lámparaapagada).

q Sencillez de parametrización.q Facilidad para la realización de conexionados con otros operadores

(alambrado de objetos).q Posibilidad de creación e incorporación de bloques nuevos y/o estructuras

encapsuladas (macros).

En la figura 5 vemos un circuito básico realizado con un entorno de simulacióneducacional junto a una barra de operadores virtuales de tipo eléctrico.

Fig. 5

En la figura 6 se muestran una serie de instrumentos virtuales pertinentes a un entornoeducativo orientado a la simulación de circuitos y sistemas electrónicos orientado a laformación técnica. Se puede apreciar la diversidad de instrumentos y las numerosasposibilidades de integración en un determinado escenario de simulación.





Fig. 6

3.1.4 Ejemplo de Aplicación de un Laboratorio Virtual: Lego Ingineer

Como ejemplo de aplicación de un laboratorio virtual existe una aplicación desarrolladapor Benjamin T. Erwin del Tufts University Center for Engineering EducationalOutreach (http://ldaps.ivv.nasa.gov) que puede ser un ejemplo muy ilustrativo de lacocepción de un entorno educativo basado en las técnicas actuales, tanto de los sistemasde adquisición de datos, como en el uso de herramientas orientadas a la programacióngráfica.

El entorno está orientado al desarrollo y manejo de modelos de control y robots tipoLego orientado a los niveles de Educación Secundaria y para el aprendizaje en el áreatecnológica.

Sus principales objetivos y logros en el campo educativo se pueden resumir en lossiguientes:

♦ Fomenta el Constructivismo y el Construccionismo.

♦ Conduce de lo Abstracto a lo Concreto.

♦ Descubre al alumno las técnicas básicas de la Ingeniería y el Diseño.

♦ Estimula la motivación y la creatividad.

♦ Descubre al alumno las técnicas de Ingeniería y Aprendizaje

Cooperativo .

♦ Permite el estudio de técnicas Mecánicas, Eléctricas, Diseño yProgramación de Elementos.

♦ Está orientado al uso General y es Escalable.

La herramienta (figura 7) esta constituida por una ineterface conectada al puerto seriedel ordenador que dispone de una serie de elementos de entrada y salida analógicos ydigitales de muy fácil manejo así como de un conjunto de librerías y macrosimplementadas con la herramienta LabView que constituyen un entorno deexperimentación mediante el que se pueden crear sencillos programas a base de bloquesoperacionales (siguiendo la filosofía de LabView) e interaccionando con el mundoexterno que esta constituido por maquetas tipo Lego dotadas de sensores y actuadoresque envían o reciben señales a o desde la unidad interface.

InstrumentosVirtuales de a licación en entornos de Simulación





Fig.7

El desarrollo de una aplicación con este laboratorio virtual debe contener las siguientesetapas:

♦ Definir el Problema

♦ Identificar Objetivos y Requerimientos

♦ Explorar Alternativas

♦ Funcionalidad de los Componentes físicos

♦ Construir y Probar el Modelo

La construcción de la aplicación mediante la herramienta de programación gráficaLabView es muy sencilla ya que se ha creado una caja de operadores asociados a losdistintos sistemas y operadores reales tipo Lego de tal manera que el alumno solo tieneque ir enlazando estos bloques de manera lógica y de acuerdo a los objetivos y

funcionalidad de la aplicación para posteriormente pasar a la simulación,interaccionando con las maquetas construidas.

Fig. 8

En la figura 8 vemos las pantallas de una aplicación. La pantalla de la izquierdarepresenta la imagen de la maqueta que se controla y sobre ella se han colocadoinstrumentos y operadores de control. Desde esta pantalla se puede operar sobre lamaqueta. La pantalla e la derecha representa el esquema de bloques funcionalesconectados para configurar el algoritmo de control de la maqueta. Algunos de estos

bloques han sido creados e incorporados a la caja de herramientas de LabView por losautores de la aplicación.

Maqueta Interface PC





3.2 Aplicaciones en Investigación.

En numerosas ocasiones es necesario disponer de un entorno flexible para el desarrollode aplicaciones de adquisición de datos y medidas en el laboratorio.

En este sentido la IV es una herramienta muy valiosa pues mediante ella se podrán crearauténticos bancos de test y medida mediante los cuales se podrán abordar todo tipo deexperimentos. En la figura 9 vemos un esquema sencillo de estos sistemas de medida.

Fig. 9

El proceso comienza con la colocación de los sensores a través de los cuales se podrácapturar la medida del parámetro, en este caso se trata de medir el esfuerzo que serealizará en la prensa mediante una sensor de presión. Esta señal se lleva a una unidadde adquisición de datos que convertirá la señal analógica entregada por el sensor a unvalor digital con una determinada precisión y una velocidad de muestreo que vendráimpuesta por el hardware utilizado y el software de control.

Los valores recogidos por la tarjeta de adquisición son entregados al computador el cualse encargara de procesarlos, visualizarlos y finalmente si es necesario almacenarlos deforma permanente.

En las aplicaciones de investigación es muy importante contar con un hardware deadquisición rápido pues en ocasiones, como en el caso de experimentos deprocesamiento de imágenes, es necesario contar con altas velocidades de muestreo yresolución en los convertidores A/D que se utilicen.

Otra característica a tener en cuenta es la posibilidad de que el software de gestión del

sistema, tanto los drivers de control como el entorno de visualización y procesamientode las señales sea muy flexible y disponga de herramientas computacionales de granalcance ya que en la mayoría de los casos será preciso un laboriosos proceso de lasmedidas e incluso un estudio estadístico y un análisis en el campo de la frecuencia.

En ocasiones se utilizan equipos de medida convencionales (osciloscopios, generadoresde señal, analizadores lógicos, etc.) conectados directamente al proceso físico quedeseamos estudiar y para poder integrarlos en nuestro sistema disponen de salida dedatos compatible con un bus determinado como son los protocolos GPIB o RS-232.





3.3 Aplicaciones Industriales.

La instrumentación virtual en los procesos industriales esta jugando un papel muyimportante ya que cada día se hace más necesario el tener que realizar procesos mássofisticados en los que el volumen de señales es muy grande y la precisión y

prestaciones de los sistemas es un factor fundamental en los diseños.

Poco a poco están desapareciendo los sofisticados cuadros de control llenos deinstrumentos de medida a los que era preciso dedicar una constante vigilancia.Igualmente en la actualidad se están sustituyendo los sistemas de control con lógicacableada (cuadros con relés y contactores) por PLC o sistemas de adquisición de datos.

La instrumentación virtual permite a los ingenieros de diseño implementar susaplicaciones de una manera totalmente flexible facilitando en todo momento el“diálogo” entre el operador y la planta asi como las operaciones de mantenimiento ysupervisión. En la figuras 10 y 11 se muestran algunas aplicaciones realizadas con la

herramienta LabView de National Instruments.

Fig.10

En la figura 10(A) vemos el esquema deun proceso de control en el queinterviene una serie de elementos(depósitos, bombas, válvulas,

interruptores, etc) que se muestran deforma gráfica y dotados en algunos casosde animación, con el fin de facilitar lacomprensión del estado de la planta aloperador.

Fig.11

En la figura 10(B) vemos una aplicación de robótica mediante la cual se puedeinteraccionar con un brazo articulado mandando órdenes de actuación a losservomotores que lo componen asi como recibiendo señal de los encoders de posición.

(A) (B)





En la figura 11 vemos una aplicación que sirve para simular el comportamiento de uncontrolador difuso aplicado al control de la posición de un vehículo que se intentaaparcar. Se puede apreciar en la figura la facilidad y total disponibilidad de elementosgráficos para poder realizar la simulación.

4 ARQUITECTURAS BÁSICAS DE UN SISTEMA DEADQUISICIÓN DE DATOS (SAD)

Un sistema de adquisición de datos (SAD) es un conjunto de subsistemas electrónicos einformáticos cuya misión es medir (captar) una información (datos) que proviene delmundo real (mundo físico) y que viene representada en forma de señales tantoanalógicas como digitales y que en la mayoría de los casos están asociadas a distintas

magnitudes físicas tales como temperatura, presión, luz, humedad, etc..

La utilización de SAD tanto en el laboratorio como en la propia industria reporta unaserie de ventajas que merecen una especial atención por parte tanto de la tecnología,electrónica como por parte de las ciencias de la computación.

Las tareas que se encomiendan a los sistemas de adquisición de datos son:

♦ Recoger los datos que provienen de los sensores

♦ Procesar los datos:

Calcular.

Convertir Elaborar.

♦ Transmitir.

♦ Representar gráficamente

♦ Almacenar.

♦ Gestionar los protocolos de lectura.

Las partes básicas de las que consta un sistema de adquisición de datos son:

Hardware:

Sensores y acondicionadoresUnidad de adquisición

Redes de comunicación

Software: Drivers de comunicación.

Entorno de gráfico.

Tratamiento de las señales

Visualización.





4.1 NATURALEZA Y TRATAMIENTO DE LAS SEÑALES DE ENTRADA YSALIDA DE UN SAD:

La naturaleza de las señales que se conecten a un SAD dependerá del propio sistemafísico del que provengan, así como del tipo de sensor y acondicionador que se coloque.

A continuación describiremos las señales más comunes que podemos encontrar y lascaracterísticas que han de presentar para poder ser leídas por el subsistema hardwareencargado de hacerlas llegar al ordenador.

♦ Señales analógicas (Analog I/O).

ENTRADAS

Son señales que proceden en la mayoría de los casos de sensores de tipocontinuo. Cuando se recogen son tratadas por el propio hardware delsistema y convertidas a códigos digitales mediante un convertidor A/D.

En muchos casos sus entradas son multiplexadas y dirigidas a un solocanal, mediante el uso de una señal de sincronización y unos niveles dereferencia de tensión. A continuación se describe los parámetros máscomunes

• Número de canales de entrada de medida: Entrada simple o entrada

diferencial.

• Tasa de muestras (frecuencia de muestreo).

• Resolución (número de bits que se utilizan en la conversión A/D).

• Niveles de entrada (máximo nivel de entrada de la señal).

• Multiplexado de las señales

SALIDAS

En general son señales que el sistema envía al exterior para realizarcontrol del propio equipo de medida o para tomarlas como referenciapara diversos proceso.

En los sistemas de control se utilizan para el gobierno de elementosactuadores: servoválvulas, reguladores de velocidad, etc..

Por ser señales generadas por el sistema sus parámetros son fácilmentecontrolados, si bien los niveles de cuantificación pueden resultar críticospara el sistema sobre el que actúan.

♦ Señales digitales (Digital I/O)

SALIDAS

• Los sistemas de adquisición de datos las utilizan para testar, generarpatrones y formar parte de los protocolos de gobierno de los equiposde medida.





• Suelen tener un perfil real bastante ajustado con flancos de subida ybajada muy estrechos.

• Gobiernan elementos periféricos mediante interfaces de potencia(drivers) a los que entregan niveles compatibles con TTL y CMOS.

ENTRADAS.

• Son señales que proceden del exterior y deben ser tratadas por elsistema con el fin de restaurar su perfil ya que son acompañadas porruido eléctrico y parásitos.

• Suelen unirse al sistema mediante sistemas optoacoplados con el finde evitar problemas de sobretensiones.

♦ Señales temporizadas (Timing I/O)

• Son señales digitales de frecuencia variable cuyos valores deduración, y anchura de impulso se pueden configurar.

• Sirven para el gobierno de equipos

4.2 FUNCIONES GENERALES DE UN DRIVER DE COMUNICACIÓN ENUN SISTEMA DE ADQUISICIÓN:

Los drivers de comunicación son unidades de software integradas en los SAD que

tienen encomendada la misión de facilitar y garantizar el proceso de recogida de lasseñales que llegan del exterior a través del hardware de adquisición. Su papel esfundamental y han de realizarlo de acuerdo con las especificaciones tanto de loselementos externos de la arquitectura implementada como del propio computador. Acontinuación se expresan las principales tareas que debe realizar un driver decomunicación

• Controlar y coordinar la velocidad de adquisición de los datos.

• Simultanear la adquisición de medidas con el proceso.

• Usan interrupciones de I/O programadas así como acceso directo a

memoria DMA.

• Almacenar y cargar datos desde/hacia disco.

• Ejecutar varias funciones a la vez

• Integrar varias tarjetas de adquisición.

• Integrar sistemas con acondicionadores de señal programables.

• Poder integrarse en sistemas operativos diversos Win95/98/NT, DOS,

Mac, Sun, Solaris, etc..

• Tener acceso al driver desde el lenguaje de programación con el que

realicemos la aplicación o desde el entorno gráfico con el que

programemos nuestro sistema.





4.3 ARQUITECTURAS BÁSICAS.

Aunque es un tema muy amplio, no debemos dejar pasar la oportunidad en este trabajode comentar los grandes tipos o clasificaciones de los SAD en función de susarquitecturas. Pensemos que estos sistemas han evolucionado desde lo que sería un

sencillo instrumento de medida convencional hasta los actuales sistemas de medida quese integran en un SCADA (Supervisory Control And Data Adqisition)

Los tipos de arquitecturas son:

♦ Instrumento convencional

♦ Sistema DataLoger

♦ Sistema conectado al Bus interno del PC

♦ Sistema mediante Bus dedicado

♦ Sistema de alta escala de compatibilidad SCADA Industrial

4.3.1 Instrumento Convencional

Un instrumento convencional entendemos que es un instrumento clásicoque nos sirve para realizar mediciones y que presenta sencillamente un

panel de aguja, un tubo de rayos catódicos o un display numérico. Su utilización seorienta a aquellas aplicaciones sencillas en las que la realización de la medida norequiere ningún tratamiento posterior y además no contamos con un sistema .

4.3.2 Sistema Dataloger

Este sistema de medida presenta una importante cualidad que consiste en lacapacidad que tiene para almacenar los datos leídos y después volcarlos enun ordenador a través de uno de sus puertos RS-232 o Centronics. Su usoesta indicado en aplicaciones de campo que requieran la toma de variaslecturas en distintos puntos o en tiempos diferentes. Internamente presentauna arquitectura que en la mayoría de los casos esta presidida por unsistema con microprocesador, lo cual le permite disponer de funciones de

escalado, memoria, ajuste, etc..

Los sistemas Dataloger son muy utilizados en proyectos de laboratorio y en actividadesde campo. En la enseñanza existen aplicaciones muy interesantes para poder utilizar en

el laboratorio de física y química ya que al aparato se le pueden incorporar distintassondas con la ayuda de un juego de adaptadores o convertidores de nivel.

4.3.3 Sistema Conectado al Bus interno del PC

Este es el más sencillo SAD propiamente dicho que nos podemos encontrarya que en su concepción se tiene en cuenta un hardware que permite suconexión al computador mediante una unidad RS-232 o directamenteconectando este hardware a uno de los slots del PC. Presenta la ventaja e lasencillez y la economía y su funcionamiento es muy sencillo ya que lacomunicación se realiza directamente gestionada por el propio PC utilizando

los protocolos y servicios de interrupción del propio computador





4.3.4 Sistema mediante Bus dedicado

Este SAD presenta numerosas ventajas y facilita en gran medida lastareas de toma de datos, a la vez que es muy potente y flexible. Se tratade implementar un Bus dedicado al que se van conectando unidades de

medida mediante tarjetas independientes de naturaleza analógica odigital. El bus se conecta al PC mediante un protocolo determinado, queen muchos casos es un protocolo estándar. Cada unidad de medida tendrá una direcciónmediante la que se identificará ante el bus y se establecerá un protocolo de asignaciónde canales de medida que será el núcleo de un proceso de multiplexado.

Existen sistemas de este tipo altamente sofisticados tal es el caso de del sistemaFieldPoint de National Instruments, o el Dupline de Carlo Gavazzi. Estos sistemasincorporan diversos protocolos.

4.3.5 Sistema de alta escala de compatibilidad SCADA Industrial

Finalmente en la figura 12 vemos la arquitectura de un sistema completo de supervisión,control y adquisición de datos SCADA que podría representar la forma más sofisticaday de alto rendimiento de los sistemas de instrumentación virtual a los que estamosdedicando este trabajo.

Fig. 12

Se trata de una aplicación en la que se han dispuesto diversas unidades de medida yactuación: Tarjetas de adquisición asociadas mediante acondicionadores al proceso demedida, instrumentos de medida con salida RS-232, autómatas programables PLC. unbus de medida FieldBus y todo ello conectado mediante una red a un ordenadorauxiliado por un software gráfico y unos drivers de comunicación.





Esta aplicación podemos encontrarla en una planta industrial, integrando todo el controlen un solo sistema.

5 LENGUAJES Y ENTORNOS ORIENTADOS A LA

INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.

La instrumentación electrónica no hubiese avanzado hasta el nivel actual sino hubiesesido por el avance que a su vez han sufrido las técnicas de programación gráfica y losentornos orientados a la adquisición de datos.

Son muchos los programas de instrumentación gráfica que incorporan drivers decomunicación para la conexión con instrumentos y tarjetas de adquisición de datos.Podemos distinguir dos grandes grupos de herramientas:

Entornos de Instrumentación Virtual. Lenguajes de Programación Gráfica.

5.1 Entornos de Instrumentación Virtual

Los entornos de instrumentación son programas que permiten la parametrización devalores y la incorporación de los datos recibidos a objetos y operadores queconvenientemente conectados forman una aplicación de adquisición, análisis osimulación. Su principal característica es el disponer de una caja de herramientas-operadores mediante la cual se realiza el diseño de la aplicación. Cada operador tieneunos parámetros que lo definen y en algunos casos un elemento gráfico que puede ser

del tipo de los mostrados en la figura 13 que pertenece al entorno WinFac 98 yconcretamente al módulo Boris. Los objetos gráficos muestran su información dedistintas maneras: Representación en ejes de coordenadas, mediante un instrumento de

Fig.13

aguja, barra de color móvil, animación gráfica, etc... En la figura se muestra un objetotipo “instrumento”, a la izquierda se muestra la ventana de parámetros y a la derecha elobjeto gráfico.

Con estos entornos de instrumentación además de simulaciones también se puedenrealizar lecturas de datos que se recogen desde un hardware externo de adquisición. Elmanejo de estos entornos es muy sencillo y se adapta tanto a las aplicaciones educativas

Parámetros





como a las de laboratorio. Normalmente el proveedor de la herramienta facilita laposibilidad de añadir bloques personalizados. En la figura 14 se ve una pantalla deaplicación de la herramienta Boris.

Fig. 14

5.2 Lenguajes de Programación Gráfica.

Son muy diversas las herramientas que en el mercado nos podemos encontrar orientadasa la elaboración de aplicaciones de instrumentación y control. Los lenguajesconvencionales de programación a pesar incorporar entornos gráficos muy potentes yfacilitar la incorporación de objetos tipo ActiveX y otros similares, no se adaptan bienen estas aplicaciones técnicas. Por éste motivo han surgido herramientas deprogramación orientadas a la instrumentación como LabView (National Instruments),HP-VEE (Hewlett Packard), Visual Dessigner (Intelligent Instrumentation), Dasylab.

Posiblemente LabView sea una de las herramientas más extendidas tanto en los niveles

universitarios como en la propia empresa.

Las Características más relevantes de LabView son:

♦ Un entorno de programación Gráfica

♦ Una herramienta para el diseño de Instrumentos Virtuales

♦ Un lenguaje de alto nivel capaz de incorporar:

DDE

OLE

ActiveX

Drivers para comunicarse con Instrumentos

Compatible con redes y buses muy variados♦ Programación mediante “Flujo de Datos”





♦ Modularidad y Encapsulación de objetos

♦ Compilación y “debuger” gráficos

♦ Alta conectividad con otras aplicaciones

Entre las Operaciones más significativas de LabView podemos enumerar:

♦ Operaciones con datos.

Tratamiento estadístico

Algebra lineal

Funciones y algoritmos de control

Control y automatización de procesos

♦ Test y medida

Generación de señales

Medida

Filtrado de señal

Procesamiento digital de señales DSP

Ajuste de señal

♦ Análisis y desarrollo de aplicaciones

Modo de operación de LabView:

La herramienta permite el diseño de una aplicación utilizando dos áreas de trabajo biendistintas:

Fig.15

♦ Panel♦ Diagrama

(1)(2)

(3)

(4)





La pantalla correspondiente al panel (2) de la Fig. 15 permite la colocación de todos loselementos que formaran parte de la carátula del instrumento (slider, gráficos,indicadores, interruptores, etc..). Esta área es la que normalmente se mostrará durante laejecución de la aplicación y constituye el instrumento virtual propiamente dicho. Lapaleta de herramientas (4) incorpora los objetos gráficos con los que podemos contar

para la elaboración de la aplicación que se muestran en la figura 16. Cada uno de estostiene unas propiedades y parámetros que podremos modificar y que afectan a su aspectoy forma de trabajo. El usuario podrá incorporar elementos nuevos a esta paleta, como esel caso de la aplicación comentada anteriormente Lego Enginner.

Fig. 16

La pantalla de diagrama (1) figura 15 sirve para realizar el cableado de los bloquesfuncionales que constituyen la aplicación. Realmente en esta pantalla es en donde seconfecciona el algoritmo de control del instrumento, se definen las operaciones con losdatos, las funciones y bloques matemáticos, de manipulación de datos, de comunicacióncon el hardware, etc.. A esta pantalla se encuentra asociada una caja de herramientas enforma de paleta que incluye numerosos bloques funcionales (3) con los que poderrealizar la aplicación.

LabView es un lenguaje totalmente gráfico, lo cual lo hace sencillo de utilizar,permitiendo su utilización a usuarios con escasos conocimiento de programación.Incorpora una gran biblioteca de funciones que se pueden utilizar directamente sobre laaplicación y también es capaz de conectarse con numerosas aplicaciones e inclusoutilizar recursos del tipo ActiveX.

6. Sistemas aplicados a la industria: SCADAS

Para terminar este trabajo sobre instrumentación virtual y sus aplicaciones vamos ahablar de una herramienta de aplicación industrial cuyo uso se está extendiendo cada

vez más y que esta basada en gran parte en las técnicas de IV comentadas hasta ahora.Un sistema SCADA no es otra cosa que un sistema de Supervisión, Control y





Adquisición de Datos aplicado a un proceso industrial. Su carácter modular nos permiteestablecer con bastante claridad las distintas funciones que es capaz de realizar y quecomo su nombre indica son básicamente tres: Adquisición de datos, Control ySupervisión.

En lo que se refiere a la adquisición de datos un sistema SCADA incorpora un conjuntode drivers de comunicación que le permiten adquirir datos desde un PLC, Tarjeta deadquisición o en general a través de un bus conectado al PC. Estos datos responden auna base de datos en la que se definen las variables. En este sentido podemos definirque el núcleo de un SCADA es una base de datos sobre la que se realizan lecturas yescrituras de valores en tiempo real.

El control que ejerce el sistema se realiza en función de los distintos eventos que seproducen en la bases de datos de acuerdo con una serie de instrucciones que medianteun lenguaje gráfico o a base de Scripts o recetas permiten definir los algoritmos decontrol.

La supervisión es la tarea más importante del sistema ya que consiste en mantener losdatos actualizados en las distintas pantallas de visualización del sistema a la vez quemantener un sistema de alarmas y un registro temporal de los distintos eventos.

Las tareas mas relevantes se pueden resumir en las siguientes:

♦ Adquisición de datos y control de variables externas.

♦ Tratamiento de alarmas

♦ Elaboración de scripts y recipes (fórmulas)

♦ Creación de pantallas gráficas en las que poder Utilizar de símbolos.

♦ Creación de Instrumentos virtuales

♦ Realización de Animaciones

♦ Comunicaciones mediante Redes y módem

♦ Intercambio dinámico de datos con otras aplicaciones.

♦ Conexión a autómatas, tarjetas, buses, etc...

♦ Conexión mediante protocolos TCP/IP y páginas HTML.

Para la realización de estas tareas los sistemas SCADA cuentan con herramientassoftware muy potentes que gracias a los entornos actuales permiten de manera cómodarealizar aplicaciones con altas prestaciones.

En la figura 17 vemos algunos ejemplos de estas herramientas.

♦ Editores de Librería de Símbolos♦ Dibujo de Objetos Básicos♦ Tratamiento Alarmas♦ Instrumentos Virtuales♦ Comunicaciones♦ Realización de animaciones♦ Gráficos

♦ Intercambio dinámico de datos DDE. OLE, etc♦ Tratamiento de objetos graficos, BMP, fondos, etc..





♦ Comunicación con PLC, SAD, Buses, etc..

Fig.17

Las pantallas gráficas en un sistema SCADA son una parte muy importante, es por elloque los diseñadores incorporan librerías de objetos gráficos en algunos casos animadosque se pueden colocando en las pantallas configurando un sinóptico de la planta overdaderos instrumentos de control y medida que suplantan perfectamente a losantiguos armarios o cuadros de control en los que se colocaban instrumentosconvencionales.

Fig. 18

En la figura 18 se muestra un ejemplo de estas librerías gráficas.





Bibliografía Consultada:

♦ Learning with LabVIEW. Robert H. Bishop. Addison Wesley. 1998♦ LabVIEW. Pogramación gráfica para control de instrumentación. Antonio Manuel

Lázaro. Ed. Paraninfo. 1997♦ The Measurement and Automation. Catalog 2000. National Instruments.

Software evaluado y reseñado:

♦ LabVIEW 5.0 Student Version. National Instruments♦ LabWindows CVI/5.5 Evaluation Version. National Instruments♦ HP-VEE 3.1 Hewlett Packard. Evaluation Version♦ Visual Dessigner 3.0 Evaluation version. Intelligent Instrumentation)♦ Dasylab Demo 5.0 32 Bits. Datalog GmbH.♦ WinFACT 98 Demo. Ingenieurbüro Dr. Kahlert. Hamm 1999. Germany

♦ Lego Ingineer. Benjamin T. Erwin del Tufts University Center for EngineeringEducational Outreach.♦ Crocodile Technology 1.0 Demo. Crocodile Clips Ltd. 2000♦ Virtual Labs Electricity DL. Edmark Com♦ Multilog System.♦ SYSMAC-SCS. (SCADA) Version 2.2 Demo. Omron Corporation.1999.

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Instrumentacion Virtual