Articulo IEEE - TESIS

MODULO DE INSTRUMENTACION VIRTUAL PARA TORRES DE PERFORACIÓN PETROLERA, GRUPO DE INVESTIGACION INTEGRA – ABRIL DE 2009
1
Módulo De Instrumentación Virtual Para
Torres De Perforación Petrolera
(Abril 2008)
Universidad Distrital Francisco José De Caldas, Facultad Tecnológica, Tecnología en
Electrónica, Grupo de investigación INTEGRA.
Mario Alberto Salazar Barreto Código.: 20041073090,
Francisco González Buitrago
Código.: 20041073043.

Abstract—Este artículo presenta el diseño y posterior
implementación de un prototipo de módulo virtual bajo
configuración maestro – esclavo. Este modulo está compuesto
por cuatro esclavos y un maestro y será capaz de adquirir
información de uno o varios taladros de perforación petrolera.
La ventaja de este prototipo es la de tener un único artefacto
para obtener diferentes variables (digitales y análogas), que
existen en la torre de perforación, como las RPM (revoluciones
por minuto), profundidad y otros (por lazos de corriente)
usando sensores adecuados para ambos casos. El módulo se
comunica al computador mediante protocolo USB (Universal
Serial Bus) y es monitoreado mediante instrumentación virtual
(LabView). Como resultado obtenemos un módulo práctico y
barato de acuerdo con el objetivo del Grupo de Investigación
INTEGRA de la Universidad Distrital F.J.C, Facultad
Tecnológica. El sistema basa su funcionamiento en
microcontroladores PSoC™ (Program System on Chip).
Palabras claves: PSOC™ (Program System On Chip), I2C
(Inter-Integrated Circuit), instrumentación virtual, adquisición
de datos, lazo de corriente 4-20mA, USB (Universal Serial
Bus), Taladro de Pozo Petrolero, Tacómetro, Contador UP
DOWN, MWD.
Abstract— This paper shows a virtual module design and his
implementation, under master- slave configuration. This
module is composed by four slaves and a master, Module's
principal function is to acquire data from a petroleum
perforation drill. The advantage of this prototype is to have a
unique artifact to obtain different variables (digitals and
analogues) presented in petroleum perforation, as rpm
(revolution per minute), deep and others (from current loops)
using adequate sensors in both cases. The module is
communicating with the computer by USB (Universal Serial
Bus), and monitoring by a virtual instrumentation System
(LabView). As result we obtained a practical and cheap module
Escrito hecho el 16 de Abril de 2009. Este articulo IEEE va dirigido como
requisito para optar el título de Tecnólogo en Electrónica.
F. González y M. Salazar estudian Tecnología en Electrónica en la
Facultad Tecnológica,, de la Universidad Distrital Francisco José De Caldas –
Bogotá, Colombia. (e-mails: pachogonbu@yahoo.com y tvadicto@gmail.com
respectivamente).
according a purpose in the Investigation group INTEGRA at
District University F.J.C, Technological Faculty. The main
components are PSoC™ (Program System on Chip)
Microcontrollers.
Key words: PSoC™ (Program System On Chip), I2C
(Inter-Integrated Circuit), virtual instrumentation, data
acquisition, current loop 4-20mA, USB, Oil Drill, Tachometer,
UP DOWN Counter, MWD
1.
INTRODUCCION
U
NO de los sectores más fuertes de la economía
colombiana es el de los hidrocarburos, por esta
competitividad las empresas de explotación petroleras siguen
experimentando profundos cambios que van no solo con las
nuevas formas de perforación, sino además de usar las mismas
para explotar inclusive energía geotérmica (OPEP, 2008).
Buscando sistemas mejores y mas rentables de monitoreo y
es ahí donde la electrónica juega un papel fundamental para
este tipo de instrumentos, ya que desde su aparición ha
favorecido en la fabricación de sistemas y dispositivos cada vez
mas pequeños, compactos y potentes, ejemplo de ello son los
PSoC™.
Este artículo muestra como, aplicando tecnología PSoC™
(Program System on Chip), para el desarrollo de un dispositivo
de instrumentación industrial - virtual, de una forma menos
costosa y más compacta, que los utilizados en su mayoría en el
país. Uno de los objetivos que promueve del grupo de
investigación INTEGRA, es tomar tecnologías nuevas para el
medio para darlas a conocer en el contexto y que sean además
implementadas en instrumentos virtuales que permitan la
enseñanza y la aplicación industrial. Como es el caso de los
PSoC™; que intervienen como alternativa para realizar diseños
electrónicos mas sofisticados
MODULO DE INSTRUMENTACION VIRTUAL PARA TORRES DE PERFORACIÓN PETROLERA, GRUPO DE INVESTIGACION INTEGRA – ABRIL DE 2009
2.
CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LA
INSTRUMENTACION PETROLERA
Acorde con la API (American Petroleum Institute), en la
extracción del petróleo, gas natural, energía geotérmica, entre
otros. Se deben tener ciertos parámetros de medición para que
el proceso sea seguro y eficaz, este tipo de medidas se conocen
como MWD (Measurement While Drilling) y LWD (Logging
While Drilling)
2
Venezuela (ECOPETROL, Carta Petrolera. 2007). Por ende se
puede afirmar que la instrumentación petrolera en Colombia y
desarrollada en el mismo país es minima comparada con la que
se trae desde el exterior, y por ende es necesaria la
implementación de nuevas tecnologías acorde a la
competitividad y a la situación del país como proveedor de
recursos energéticos
Los instrumentos LWD y MWD miden parámetros diferentes.
Los instrumentos LWD miden “in situ” propiedades de
formación de gases, con aparatos que están localizados en los
cuellos de taladro inmediatamente encima de la broca del
taladro. Los instrumentos MWD a veces están localizados en
los cuellos de taladro, así como pueden estarlo en la mesa
rotatoria o en el malacate y miden parámetros de perforación
(por Ej., el peso sobre la broca, el momento de rotación, la
posición, etc.). En síntesis, LWD mide parámetros de la
superficie a taladrar y MWD los parámetros del taladro de
explotación petrolera (Mian, 1992)
2.1 ESTADO DEL ARTE
La instrumentación que se puede conseguir en la región es
100% importada y del tipo LWD, en su mayoría se tiene
instrumentación de tipo análoga del taladro (Drilling Data),
basado en un sistema de accionamiento electromecánico que
consta de una serie de contactores, los cuales con la ayuda de
elementos de mando (pulsadores, temporizadores con
mecanismo de relojería, termostatos, presostatos y detectores
de proximidad capacitivos) presentan problemas de
maniobrabilidad y resolución, dejando un margen de error por
parte de los operarios que miden el funcionamiento de la
misma, y en ocasiones cometiendo errores humanos, bien sea
por la antigüedad del equipo o por fatiga del operario.
(ECOPETROL, Carta Petrolera. 2005)
Aunque existen algunos sistemas de medida MWD/LWD,
estos son utilizados principalmente en perforación direccional
(taladrado no lineal), o en plataformas petroleras “costa
afuera” (Off Shore). Estos instrumentos son en su mayoría
manejados por el Sistema SCADA, (Supervisory Control and
Data Acquisition), basando su tecnología en PLC, pero son
muy costosos. En su mayoría son alquilados o comprados a
empresas tales como Wagner Instrumentations, Nabors
Drilling y Petron, principales proveedores de instrumentación
Petrolera en Colombia. Un ejemplo de este sistema se puede
ver en la Fig. 1
Además estos sistemas no se adaptan a la mayoría de taladros
que existen, (la mayoría bastante obsoletos), y por ende hay que
alquilar también la torre de perforación (ANH, Informe Mayo
2008) de hecho, en Colombia existe solamente un taladro de
última tecnología, el taladro G-102, el cual fue alquilado a
Fig. 1. Sistema MWD-SCADA Off shore
(www.nabors.com)
2.2.
INNOVACION
DEL
INSTRUMENTACION PETROLERA.
de Nabors Drilling
SISTEMA
DE
Debido a lo expuesto anteriormente, se requiere que se
busquen soluciones más “flexibles” y económicas, al igual que
sirvan para el adelanto y la innovación tecnológica de
Colombia
Para ello se debe conocer el esquema básico que posee una
torre de perforación petrolera, como se muestra en la figura 2
para así comprender que parámetros son requeridos para
desarrollar su monitoreo.
A excepción del taladro G- 102, las torres de perforación
necesitan de “cuñeros”, personas las cuales acoplan el varillaje
de perforación y necesitan saber en que momento la mesa
rotatoria, el caballete (malacate) y demás se encuentran en
funcionamiento. Para que no ocurran accidentes, el sistema se
encontrará en el piso de la torre.
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3
necesidad del diseño, de disponer de la posición de los pines,
en una programación grafica y todo integrado en un solo
chip”. (Ashby, 2005).
3.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
Se plantea el sistema de tipo hardware/software basado en 4
dispositivos esclavos (tarjetas DAQ desarrolladas por
nosotros) que realizarán monitoreo en las torres de perforación;
dentro de ese monitoreo se encontraran variables como conteo
y dirección de giros y RPM, tanto del malacate como de la mesa
giratoria y análisis de variables provenientes de sensores
análogos cuya salida varia entre 4 y 20 mA; y que se
comunicarán por comunicación I2C a un dispositivo maestro
con interfaz a PC, mediante el cual un software interpretará y
visualizará los datos, esto se puede observar con detenimiento
en el Diagrama de Flujo (Ver Figura 3)
Fig. 2. Esquema de una torre de perforación (Mian, 2002)
Además es importante recordar que: “Un sistema de
medición debe poder ser aparte de preciso, tener un grado de
resolución, es decir ser visto por el usuario sin problemas”
(Bentley, 1996). Por esto se prefirió en utilizar el método más
flexible y económico que puede brindar la instrumentación
industrial y es el caso de la instrumentación virtual
Se entiende por instrumentación virtual el uso del
computador como instrumento de medición de señales, éste fue
introducido en el 2001 por la compañía National Instruments,
que creo un software que le permitía al PC realizar mediciones.
Sin embargo, el concepto de instrumentación virtual no solo se
basa en medición de corriente y voltaje sino que también
“Implica el almacenamiento, análisis, distribución y extensión
de los datos e información relacionada con la medición de una
o de varias señales específicas”. (Creus, 1999)
De igual modo, para crear un modulo de instrumentación
virtual se requieren de tarjetas de adquisición de datos (DAQ),
las cuales son también comercializadas por National
Instruments, como se desea crear innovación en cuanto a la
metrología actual MWD/LWD, por lo anteriormente citado, se
prefiere desarrollar estas tarjetas utilizando como núcleo
principal de éstas microcontroladores PSoC™ .
Estos dispositivos ofrecen una versatilidad interesante con
altas escalas de integración y existiendo en aplicaciones
novedosas, llevado a ser implantado en productos de gran éxito
y tan diversos como el iPod de Apple™, los laptops de HP™,
las estaciones meteorológicas domésticas de Oregon
Scientific™ o las cafeteras profesionales de Gaggia™.
Principalmente porque: “Además de ofrecer variados recursos
digitales (protocolos de comunicación, contadores, timers,
pwm, multiplexores) posibilita la utilización de varios recursos
de tipo analógico, como son amplificadores, filtros,
comparadores, DAC’s, etc. Con la comodidad de según la
Este sistema de Monitoreo de Datos en torres petroleras,
pretende servir como nuevo modelo tanto para el obsoleto
sistema usado en Dilling Data que en la actualidad se encuentra
en la mayoría de torres petroleras como en el no tan moderno
pero si escaso y costoso sistema MWD/LWD (Ver punto 2).
D ia g r a m a d e F lu jo
P r o y e c to I n s tr u m e n ta c io n
V ir tu a l P a r a T a la d r o s P e tr o le r o s
IN IC IO
T a r je t a s E s c la v o [ 4 o M a s ]
( A d q u is ic io n d e D a t o s ,
M a n ip u la c io n , e t c )
C O M U N IC A C IO N I2 C
T a r je t a M a e s t r o
( A d m in is t r a c io n d e D a t o s ,
M a n ip u la c io n , e t c )
C O M U N IC A C IO N U S B
P o s ib le r e c o n fig u r a c io n
d e la s v a r ia b le s d e e n t r a d a
C P U
L A B V IE W
V is u a liz a c io n G r a fic a
D e L a s V a r ia b le s
F IN
Fig. 3. Diagrama de Flujo del Sistema De Instrumentación Virtual Para
Taladros Petroleros
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Para entender en profundidad el sistema propuesto se
agruparán los conceptos a nivel de software y de hardware.
3.1. SOFTWARE
Es la clave del instrumento virtual, ya que éste es el que
sustituye al instrumento tradicional. El software juega un rol
vital en el desarrollo de sistemas de adquisición de datos y
control, además de dirigir la interacción de las especificaciones
de hardware, ya que en nuestro caso es dinámico gracias a la
reprogramación de los PSoC™ .
4
comunes, así como a diversos dispositivos que adquieran y
sensen los datos. Además su manejo es muy sencillo, es
flexible, su programación es gráfica y su interfaz puede ser
personalizada fácilmente. Por estas razones se escoge el
utilizar el programa LabView en su versión 8.2
En la figura 4 se puede observar el panel de control del
instrumento virtual llamado PETROCOM GZ, el cual permite
la visualización gráfica de las variables de los esclavos, en
ventanas separadas así como los botones de selección de los
mismos, entre otros.
En este parámetro se explicarán el software de Usuario Final
y el de Programación, además el uso del computador en los
sistemas de instrumentación y control ofrece:
1. Mejor rendimiento del proceso y por lo tanto menores
costos y mayor producción.
2. Buena calidad y velocidad, necesarias para operar en
tiempo real.
3. Mayor seguridad (inmediata acción de corrección y
activación de alarmas).
4. Proporciona gran cantidad de información acerca del
proceso (Zator, 2006).
En comparación con un instrumento tradicional podemos
observar la diferenciación entre ellos, como se muestra en la
Tabla 1, por lo cual aunque la tecnología virtual tiene un ciclo
útil bajo (ciclo de vida 1 a 2 años), en comparación con un
instrumento tradicional como un osciloscopio o un multímetro
(ciclo de vida: 5 a 10 años), esto es debido a que siempre esta
en constante desarrollo, disminuyendo el mantenimiento y la
reparación.
Fig. 4. Visualización de las variables del esclavo a través del maestro
mediante LabView(Panel Frontal)
Lo llamativo de Labview es su compatibilidad con
herramientas de desarrollo similares y puede trabajar a la vez
con programas de otra área de aplicación, como Matlab o
Excel. Además se pueden utilizar en muchos sistemas
operativos, incluyendo Windows y UNIX, siendo el código
transportable de uno a otro.
3.1.2. Software De Programación
Tabla 1. Fundamento de un Instrumento Virtual frente a uno Tradicional.
Fuente: Calderón J. (1998) Instrumentación Virtual. Universidad de los Andes
3.1.1. Interfaz Usuario Final
El software se eligió de acuerdo a su versatilidad para
adaptarse a las arquitecturas de los computadores más
Los microcontroladores PSoC™ tienen una interfaz única
comparada con otros microcontroladores, usted comienza a
establecer su sistema en una GUI (Interfaz gráfica de Usuario),
en vez de inicializar exclusivamente en un simple compilador
de líneas de código como otros. En nuestro caso utilizamos la
aplicación de desarrollo denominada PSoC ™ Designer V.
4.4. Aunque existe otra netamente gráfica llamada PSoC™
Express (Ambas se pueden descargar de la página oficial de
Cypress http://www.cypress.com) Además se pueden escoger
diferentes bloques tanto análogos como digitales dependiendo
del chip que se use. En nuestro caso se utilizará de referencia
CY8C29466 (Ver punto 3.2) La programación es dividida en
dos fases "Editando el dispositivo" y "Editando la aplicación".
En el modo de Dispositivo (Device Editor) usted selecciona los
componentes que quiere incluir en su proyecto (Contadores,
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amplificadores operacionales, PWMs, comparadores, etc.) y su
ubicación en distintos bloques dependiendo de si el
componente es digital o análogo También se pueden
seleccionar allí las entradas y salidas, escogiendo cualquier pin
del chip para hacer lo que usted desee. Cualquier pin puede ser
una entrada o una salida, digital o análoga. En el diseño del
maestro se tienen un puerto I2c y uno rs232 “embebidos”, caso
contrario sucede con la mayor parte de microcontroladores que
sólo poseen 1 o 2 de estos protocolos como máximo puesto que
así vienen de fábrica. En la siguiente figura se muestra el modo
dispositivo del maestro.
5
lo cual se debe tener cuidado en que lo seleccionado en este
modo, debe coincidir con lo escogido en el lenguaje gráfico.
Este parte del GUI se muestra como aparece en la figura.
Fig. 7. Editor de Aplicación o “Aplication Editor” del
Esclavo
Fig. 5. “Device Editor” del Maestro
En cuanto a los microcontroladores que funcionarán de
esclavos podemos apreciar que todos sus bloques digitales
están completos como se ve en la figura
Para nuestro caso se utilizan 2 tipos de código, el de el
esclavo en el cual se programarán los módulos I2C_Hw
(Esclavo), y se creará un buffer de datos de 64 bits en donde se
alojarán los lazos de corriente (TRI_ADC de resolución de 8
bits), el tacómetro (TIMER resolución de 16 bits y COUNTER
resolución de 8 Bits) y el conteo up/down del malacate(
COUNTER resolución de 8 bits) , así como buffers internos
(Dig_buf) y amplificadores de ganancia (PGA_1)
Para el maestro simplemente se usará el modulo I2C_Hw
(Maestro), y un protocolo Rs-232(UART), para ser enviado al
PIC como protocolo USB y luego al PC.
Se decidió usar protocolo USB por ser el más común en los
computadores. Para la compilación de código del PIC se usó el
programa PICC CCS Complier V. 4.032 y para su
programación el programa Winpic800.
Fig. 6. “Device Editor” del Esclavo
Ahora bien, el objetivo principal del "Device Editor" es el de
hacer la codificación más simple y por lo tanto permitirle
enfocarse en el objetivo de su código en vez de instalar todo por
software. Tan solo después de que hemos instalado y
establecido todos nuestros componentes el siguiente paso debe
escribir nuestro código en C.
3.1.2.1. Programador de código
Es donde se ingresa el código a utilizar, es importante
mencionar que el software da la posibilidad de escoger los
parámetros de los componentes a través de comandos API, por
Es importante destacar la versatilidad del Editor de
aplicación en PSoC™ Designer V. 4.4, ya que permite
compartir instrucciones tanto en assembler como en C. Además
simplifica el proceso de digitar código acortando las órdenes
para cada componente puesto que tienen su propia "hoja de
datos" con una lista de órdenes para ejecutar y escribir
fácilmente. Aunque en el modo “Editor de Dispositivo”, puede
llegar a ser difícil para quien solo está acostumbrado a los
compiladores normales de los microcontroladores.
En nuestro caso, para el sistema DAQ, ese chip
“todo-en-uno” nos permite programar en software, lo que antes
requería varios IC independientes del microcontrolador como
Conversores Analogos digitales, Timers, contadores, bufers y
protocolos (RS232, I2C) tan solo se utilizan algunos “drivers”
para el acondicionamiento de señal, que son pocos comparados
con un DAQ tradicional
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3.2. HARDWARE
Se define por el substrato físico en el cual existe el software.
El hardware en nuestro caso abarca todas las piezas físicas del
sistema de adquisición de datos (DAQ) ya que el ordenador
puede variar, asi como los diferentes sensores.
Con la premisa tal que: “El diálogo hombre-máquina es la
función que hace posible que el operador reciba información
sobre el estado de una máquina y le envíe órdenes y
consignas.”(NI, 1997) En la función de diálogo
hombre-máquina, el operador desempeña un papel importante,
con base a los datos de los que dispone, debe realizar acciones
que condicionan el buen funcionamiento de las máquinas y las
instalaciones sin comprometer la seguridad ni la disponibilidad
del usuario. Por ello el hardware no debe ser complicado para
su reparación ni debe comprometer la integridad física humana,
procurando su fácil mantenimiento y limpieza.
Se decide por crear DAQ’s con puertos de comunicación
operando independientemente (stand-alone), es decir no
requieren que ambos dejen de funcionar si alguno de ellos falla.
Los componentes fundamentales y de fácil remoción con los
cuales se realizó la interfaz con el computador son:


Cable Usb Macho A/Macho B
Microcontrolador PIC 18f4550
Estos componentes van incluidos dentro de la tarjeta
maestro, la cual en su primer prototipo lleva los slots para los
esclavos, el esquema de esta se puede ver en la figura siguiente,
donde se puede apreciar que son pocos componentes en
comparación con otras tarjetas de este estilo.
+85Cº
I/O Pins: 40. Para
http:/www.microchip.com
mayor
6
información
visite:
Y a su vez el proceso de datos para los transductores tanto
del maestro como del esclavo (buffers, chips de comunicación,
etc.), solo se redujeron a microcontroladores PSoC ™, algo que
las tarjetas de adquisición de datos manejadas por LabView no
poseen, además estas son bastante costosas, y requieren tener
entradas análogas externas, lo cual en las nuestras se obvian
En nuestro caso usamos el microcontrolador CY8C29466.
Cuyas características primordiales son:
CY8C29466-24PVXI.
Bloques Análogos 12:4 X 3
Bloques Digitales: 16: 4X4
Tamaño de Memoria: 32KB Flash Temperatura: 40C to
+85C
I/O Pins: 24. Para mayor información visite:
http:/www.cypress.com
Cada tarjeta esclavo será modular, es decir, todas serán
iguales y tendrán un “slot” en donde llevará la alimentación y el
bus de datos I2C, permitiendo su fácil remoción e inserción. El
esquemático de la tarjeta esclavo se muestra a continuación,
aunque pareciera tener muchos componentes la gran mayoría
son los opto acopladores de seguridad para los sensores, si no
se hubiese utilizado tecnología PSoC™ , esta tarjeta tendría 3
veces más componentes.
Fig. 9. Esquemático de la Tarjeta esclavo
4.
Fig. 8. Esquemático Tarjeta Maestro con el Sistema de Conversión de
Datos USB a RS232 mediante PIC 18f4550 incluido.
Las características del PIC 18f4550 son:
MICROCHIP PIC 18F4550.
Líneas de I/O: 35
Frecuencia de Operación: Hasta 48 Mhz
RAM: 2048 Bytes. EEPROM: 256 Bytes
Tamaño de Memoria: 32768 Bytes Temperatura: 40Cº a
DIAGRAMA DE BLOQUES
Este MODULO DE INSTRUMENTACION VIRTUAL
PARA TORRES DE PERFORACIÓN PETROLERA es un
sistema electrónico basado en un diseño de hardware y una
aplicación de software. (Ver Punto 3)
En conclusión, el hardware permite recibir, enviar, procesar
y organizar señales tanto análogas y digitales de 4 esclavos
diferentes. El software de implementación es un sistema que
permite a los usuarios visualizar el comportamiento de las
variables que este trabajando, teniendo así idea del
comportamiento de las mismas. Para ello, y como se muestra en
la Figura 10, se pude observar un diagrama de bloques del
dispositivo en general
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En cuanto al tacómetro este es un dispositivo que mide la
velocidad angular de rotación de un eje. Las unidades más
comunes para expresar velocidad angular son revoluciones por
minuto (rpm) y radianes por segundo. Un radian es igual a p/2
revoluciones o aproximadamente 57° mecánicos. (Jacobs,
1992)
Los tacómetros en la industria utilizan uno de los dos
métodos básicos de medida:
Fig.
10.
Diagrama
de
Bloques
para
INSTRUMENTACION
VIRTUAL
PARA
PERFORACIÓN PETROLERA
MODULO
TORRES
DE
DE
4.1 BLOQUE ESCLAVO
4.1.1. Sensores
Se usarán dos tipos de sensores
4.1.1.1. Sensores digitales (Infrarrojos)
Consta de 2 diodos emisores, los cuales se colocaran en el
malacate (en un futuro en los motores de inducción y en la mesa
rotatoria), para generar los diferentes conteos (RPM y
Up/Down Counter) y 2 receptores de luz infrarroja que estarán
conectados a la entrada del microcontrolador PSoC™ esclavo,
creando así un “encoder” del sistema, esto se puede apreciar en
la figura.
Fig. 11. Modelamiento del “Encoder”, para ser instalado en la Mesa
rotatoria, Malacate y/o Motores de Torre Petrolera
Un encoder es un sensor que unido a un eje, proporciona
información de la posición angular, actuando como un
dispositivo de realimentación en sistemas de control integrado.
Se opta por utilizar encoder de tipo incremental y no absoluto,
ya que los absolutos tienen un fotorreceptor por cada bit
representado en el disco, lo cual lo vuelve más complejo de
manejar.
En los incrementales, al girar el rotor genera una señal
cuadrada, el escalado hace que sus dos señales tengan un
desfase de ¼ de periodo si el rotor gira en un sentido y de ¾ si
gira en el sentido contrario, lo que se utiliza para discriminar el
sentido de giro, así es como funciona el conteo up/down.
a) La velocidad angular está representada por la magnitud
de un voltaje generado. Son el tacómetro generador CD y el
tacómetro drag cup.
b) La velocidad angular está representada por la frecuencia
de un voltaje generado. Son el tacómetro CA de campo
rotatorio, el tacómetro de rotor dentado y el tacómetro de
captador fotoeléctrico. (Maloney, 2002).
En nuestro caso se optó por utilizar un tacómetro de captador
fotoeléctrico, cuyo sensor será también el encoder usado en el
conteo up/down. El encoder se puede observar en la figura 12, y
el tacómetro será medido en el canal A del mismo. Se escoge
este tipo de encoder ya que no esta sujeto a errores de carga de
salida y variación de temperatura, puesto que es óptico y la
vibración del eje se controla con los 2 canales que posee.
Fig. 12. “Encoder”, para ser instalado en la Mesa rotatoria, Malacate y/o
Motores de Torre Petrolera
4.1.1.2. Sensores análogos
Consta de 4 entradas analógicas que detectan diferencias en
corriente entre el rango de 4 a 20 mA. Adaptable a las salidas
analógicas de algunos instrumentos.
El lazo de corriente se utilizará para conectar los diferentes
dispositivos que se usan en la adquisición de datos, en la figura
15, se puede observar un sensor de rayos gamma utilizado para
medir la permeabilidad y cantidad de gas del suelo.
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4.1.3 Microcontrolador Esclavo
Fig. 13. MWD Gamma Ray, el cual utiliza un lazo de corriente de 4-20 mA.
Esta primera fase constara de 4 microcontroladores esclavo
(uno por tarjeta) que recibirán las señales adquiridas por medio
de los sensores análogos e infrarrojo, cada tarjeta estará en la
posibilidad de manejar:



4.1.2. Chipsets
Se entienden por los circuitos auxiliares que permitirán el
acople de los sensores al microcontrolador, en ellos tenemos:
4.1.2.1 Conversor corriente a voltaje
En la transmisión de señales por líneas muy largas, a menudo
es preferible adoptar una señal de corriente en lugar de una de
voltaje; y en el caso de transmisión de señales de corriente es
necesario, para recibirlas, convertirlas en señales de voltaje.
Los rangos estandarizados de las señales de salida son de 4 a 20
mA para la señal eléctrica. Y de recepción para nuestro caso de
0 a 5 V. Los convertidores de V/I e I/V se basan en las
aplicaciones del amplificador operacional mediante un
“chipset” llamado amplificador de transimpedancia que
convertirá la corriente en voltajes analizados por el
microcontrolador.
Dos tacómetros internos
Cuatro lazos de Corriente (4 – 20 mA)
Dos contadores up/down
Así se analizarán y calcularán la magnitud de estas. En este
caso los sensores infrarrojos y análogos. Como VARIABLES
DE LOS SENSORES denominamos a los datos que resultarán
de la lectura y análisis de los valores recibidos por medio de los
sensores análogos.
D ia g r a m a d e F lu jo
P s o C E s c la v o N u m e r o N
S T A R T
A d q u is ic io n d e D a t o s ( A D C ,
U p /D o w n S e n s o rs ,
R P M , e tc )
¿ E x is t e n
d a to s []?
Fig. 14. “Chipset” para ser acoplado a la salida de los sensores análogos del
DAQ
4.1.2.2 Opto acopladores
Los opto acopladores son capaces de convertir una señal
eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla
en una señal eléctrica. La gran ventaja de un opto acoplador
reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre
los circuitos de entrada y salida, en nuestro caso se utilizarán
como “chipsets de aislamiento” para proteger los sensores tanto
análogos como digitales y de este modo asegurar la estabilidad
del sistema.
B
U
C
L
E
I
N
F
I
N
I
T
O
n o
si
C o n v e r t ir d a t o s
( p o r e j. R P M =
( P u ls o s / N o . P u ls o s x R e v . )
* M in u t o )
E s te
la c u
lo s d
ta la d
a lg o r itm o m u e s tr a la fo r m a e n
a l e l P s o C ( T M ) E s c la v o p r o c e s a
a to s r e c ib id o s ( M W D ) d e l
r o d e p e r fo r a c io n
D a to s G u a rd a d o s []
C O M U N IC A C IO N I2 C
R e s e te a r D a to s
E N D
Fig. 16. Diagrama de Flujo para el proceso del bloque esclavo
Fig. 15. “Chipset” para ser acoplado a la salida de los sensores digitales y
del Amplificador de Transimpedancia
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4.2 BLOQUE MAESTRO
4.2.1 Microcontrolador Maestro
Este microcontrolador recibirá los datos de las 4 tarjetas
esclavas, dado el caso los analizaría y volverá a codificar esta
vez para hacer comunicación con un PIC (microcontrolador
Auxiliar, utilizado por no encontrar un PSoC™ con conexión
USB en Colombia) el cual será un Pic18f4550, que servirá
como driver del dispositivo
Fig. 17. Sistema de funcionamiento Comunicación i2c
El “bus” I2C está basado en las siguientes definiciones:
4.2.2 Protocolo De Comunicación USB
El USB es una comunicación serie de alta velocidad. Ha
sustituido en gran medida al famoso puerto serie RS-232, ello
se debe en gran medida a que el USB utiliza señales digitales
TTL, mientras que el puerto serie utiliza señales digitales entre
-12 y +12 voltios, además de la gran diferencia de velocidad de
transmisión entre ambos dispositivos.
Transmitter: El dispositivo que envía los datos a la línea de
datos serie.
Receiver: El dispositivo que recibe los datos desde la línea
de datos serie
Master: El dispositivo que empieza una transferencia,
suministra la señal de “clock”.
La velocidad de transferencia ha ido aumentando
rápidamente a lo largo de estos años. Cabe destacar 3 de estos:
Slave: El dispositivo que es direccionado por el “master”.
USB 1.0: baja velocidad (hasta 1.5Mbit/seg) usado en
dispositivos de interfaz humana (HID) como ratones y teclados.
Multimaster: Más de un dispositivo puede ser el “master”
para controlar el bus serie de datos y el bus serie de clock.
USB 2.0: Alta Velocidad (hasta 480Mbit/seg) unos
60Mg/seg.
Arbitration: Si más de un dispositivo intentara
simultáneamente controlar el bus, tiene lugar un simple
procedimiento de arbitraje, de modo que solamente un
dispositivo puede ser el “Master” Synchronization:
Procedimiento para sincronizar la señal de “clock” de dos o
más dispositivos (slaves). (Maloney, 2002)
USB 3.0: Giga Velocidad, en fase experimental, (hasta
4.8Gbit/seg) unos 600 Mg/seg. Los buses son mucho más
rápidos debido a la incorporación de una fibra óptica al enlace
de cobre.
La transmisión del USB se realiza mediante un cable de
cobre de par trenzado con una impedancia de 90 ohm llamados
D+ y D-. Estos pueden dar energía a dispositivos externos, con
una tensión de 5V y un máximo consumo de 500mA.
En el momento funciona bajo la más alta velocidad posible
para el USB que es de 480Mbits/s.
4.2.3 Protocolo De Comunicación I2C
Es una interconexión serie con dos hilos, síncrona y
bidireccional. Se utiliza para la interconexión de
microcontroladores y sus periféricos (convertidores A/D,
EEPROMS, driver de display) u otros microcontroladores.
El dispositivo puede trabajar como receptor o como
transmisor, dependiendo de sus funciones. Cada dispositivo
tiene su propia dirección de 7 bits. Cada dirección consiste
comúnmente de una parte fija (4 bits internos del chip) y de una
parte de dirección variable (3 pines del dispositivo), como se
muestra en la Figura.
La velocidad máxima de transmisión en el modo estándar es
de 100 kb/s o hasta 400 kb/s en el modo “Fast”. El máximo
número de dispositivos conectados al bus está limitado por la
capacidad del propio bus que es de 400 pF, típicamente cada
dispositivo tiene una capacidad de 10 pF, por ende nos
permitiría colocar a futuro como máximo 39 tarjetas esclavas.
4.3 ORDENADOR
El PC al que va a ser conectado este hardware debe estar en
condiciones adecuadas para un funcionamiento optimo del
software que se va a usar (LabView, ver punto 3.1.1).
Las características óptimas del ordenador en el que se trabajó
fueron:
Sistema Operativo Windows XP Service Pack 3
Antivirus Actualizado (Avira Antivirus)
Memoria RAM: 512Mb
Procesador: Pentium IV 2,4 Ghz.
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5.
RESULTADOS
Los resultados fueron obtenidos mediante simulación con
motores y aparatos de lazo de corriente. Se aplicó la
metodología en el desarrollo del trabajo, definiendo de igual
modo los diagramas de bloques y su ejecución. Al finalizar el
proyecto se diseñaron las tarjetas de adquisición de datos (ver
anexo 1) para la recepción de datos, estas están conectadas por
el momento por un hilo de comunicación (I2C, en un futuro se
podría implementar a nivel telemétrico y/o wireless) y a
diferentes dispositivos (entre ellos un sensor ultrasónico de
distancia la cual tiene un rango de 35 a 200 m, y genera una
corriente de salida entre 4-20mA con un span variable), en el
momento poseen un encoder el cual permite medir a la vez las
RPM y si el conteo es ascendente/descendente, permitiendo
saber si el ciclo útil de los pulsos se mantiene y así evitar
perturbaciones del sensor, este se encuentra acoplado a un
motor que simula el giro de un malacate o de una mesa
rotatoria, de igual modo se optimizaron los “chipsets”
permitiendo una buena linealización de los lazos de corriente,
así como un completo aislamiento de los sensores tanto
análogos como digitales. La comunicación de USB a
Computador se logró a 460 Mbits por segundo, la de USB a
PSoC™ se logró a 38,4Kbytes/s mientras que la I2C a
400Kbits/s permitiendo así que las Señales análogas y las
digitales (resolución de 8 bits cada una) fuesen procesadas por
el instrumento virtual PETROCOM GZ sin inconvenientes.
Igualmente se observa que el computador a usar debe estar en
optimas condiciones para ejecutar el sistema y se plantea el
diseño una fuente necesaria para la alimentación de los
componentes de los transmisores con diferentes voltajes de
24V, +12V, 5V.
6.
ANALISIS DE RESULTADOS
6.1. DESARROLLO DE SOFTWARE
Como el proyecto era tan extenso se decidió seccionarlo en
varias partes, creando primero la comunicación esclavo
maestro, por I2C mediante una velocidad máxima permitida de
400Kbps. Se opta el elegir el protocolo I2C ya que es síncrono,
muy rápido y además se pueden conectar muchos dispositivos
esclavos solamente usando 2 pines del microcontrolador, lo
cual lo vuelve muy eficiente.
Luego se procedió a comunicar el microcontrolador maestro
(PSoC™ ) con el computador mediante el Pic 18f4550 a través
del protocolo USB, ya que este puerto es el más común en los
computadores y permite conectar hasta 127 dispositivos,
compartiendo el ancho de banda del mismo. Para ello el
firmware del Microcontrolador debe especificar la
identificación del fabricante (VID) dada por Microchip, así
como la identificación del dispositivo (PID), que en nuestro
caso será 0x12. El driver instalado en el computador
identificará el PID como PETROCOM GZ PORT.
10
Para configurar el Modulo UART en el PSoC™, - y así
realizar la comunicación con el Pic-, se utilizó la siguiente
fórmula para generar los baudios requeridos.
Baud Rate= 48MHz / ((Period+1) * (Samples))
= 48MHz / ((155+1) * 8)
= 38.4 kBaud
El valor “Period”, se toma de un bloque contador de 8 bits
alojado en el esclavo, la ventaja de UART es que siendo
asíncrona no se ve afectada si las otras (USB,I2C)
hipotéticamente se dañaran.
En cuanto al Pic, éste se configuró para que realizara ecos de
lo que recibía a través de sus entradas Rs-232, y que luego
serían transmitidas mediante USB como Puerto virtual. Esto
nos permite tener mayor versatilidad al escoger diferentes
puertos USB para enviar los datos, lo que no se permite en
modo HID. Además se configuró el Pic mediante las
especificaciones de Microchip.
Al principio se iba a mandar un buffer de 64 bits de datos
pero este se disminuyó a 14 para ser más rápida su limpieza y
actualización. Los datos viajan en serie.
Luego se programaron y se crearon los módulos en los
esclavos, que recibirán las variables de los datos. Para ser
identificados por el maestro los esclavos están denominados así
Esclavo
1
2
3
4
Dirección de
Esclavo
64
65
66
67
Tabla 2. Direcciones de Esclavo utilizadas en la comunicación I2C
Cada vez que se desee saber una variable de algún esclavo, el
programa en LabVIEW llamado Petrocom_GZ, preguntará
que variable es necesaria, de la siguiente manera.
Esc.= No. De Esclavo
A1,A2 ,A3 ,A4= Lazos de Corriente 4- 20 mA
T1, T2= Tacómetros
U1, U2 =Contadores Up/Down
Tabla 3. Codificación de datos en el Instrumento Virtual PETROCOM GZ,
para recepción de datos de los esclavos
Esto se hace debido a que si los datos no son limpiados y
vueltos a tomar, Labview (o Hyperterminal), puede enviar
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datos basura. Cabe aclarar que tanto el Bloque USB como el
Maestro y sus correspondientes esclavos deben estar
conectados a la misma fuente para que no exista meta
estabilidad ni interferencias electromagnéticas que produzcan
ruido. También se le colocó un condensador de acoplamiento al
Pic entre sus voltajes de alimentación y referencia de 22pF.
6.2 DESARROLLO DE LOS CHIPSETS DE LAS TARJETAS
El circuito conste en un conversor de corriente a voltaje
adaptado a nuestras necesidades, trabajando en modo lineal, el
positivo y negativo de la fuente de corriente se conectan a una
resistencia de carga, en nuestro caso de 89 ohm, este voltaje se
amplifica y produce un voltaje de salida. Este esquemático se
puede ver en la figura 14 (ver numeral 4.1.2.1).
Este circuito es también conocido como Amplificador de
transimpedancia, un tipo de amplificador electrométrico.
(Jacob, 1996)
La función de transferencia del mismo es la siguiente
Tabla 4. Tabla de comportamiento del conversor corriente a voltaje usado,
aislado ópticamente por medio del opto acoplador 4n25
V(s)
I(s)
Con el Led de prueba ya encendido se logra garantizar una
salida en el foto transistor, que sea lineal con respecto a la
intensidad de luz emitida por el Led infrarrojo, en la tabla
anterior se pueden observar los datos obtenidos de un montaje
prototipo, analizado con un circuito de fuente de corriente
como sensor prototipo, y luego con el sensor ultrasónico,
todavía no definitivo pero que describe el comportamiento de
los distintos circuitos y su linealidad.
=
____- R____
1+R (Cp/A) s
Donde A es la ganancia del Op Amp en lazo abierto y Cp la
capacitancia parásita asociada a R y su montaje, como esta
resistencia de carga debe ser muy grande, se decidió crear una
red en T, así como generar una entrada diferencial. Para esto se
utilizó el LM 358, el cual trae encapsulados 2 amplificadores
operacionales, y permite manejar una corriente de 10 – 30 mA.
Básicamente el circuito trabaja mediante la Ley de ohm V/R=I,
por ende es inversamente proporcional, esto quiere decir que
cuando la corriente es alta su voltaje será bajo. Por cada cm
leído del sensor, el dispositivo marcará 0.30 V si se encuentra
entre el rango de 35 a 200 m, por ende su resolución será.
Para que el LED del opto acoplador encienda, es necesario
asegurar una IF (corriente de Foco), menor a la que puede
resistir el dispositivo IF max.= 50mA, VF(max)=1,5 V,
VF(min)=1.2 V
If= 10 mA
Res = Vmax-Vmin= (5-0)V = =0.30 V/cm
Dmax-Dmin (200-35)cm
Con el fin de garantizar la seguridad para nuestro dispositivo
y un correcto aislamiento eléctrico de los instrumentos con
respecto al dispositivo esclavo, se utilizó el 4N25 opto
acoplador de propósito general, para lograr el funcionamiento
de este debía tener de entrada de voltaje en el ánodo del Led
mínimo 1 voltio, para lo cual se tuvo que implementar una
topología de sumador no inversor a fin de sumar 0.5 V y así
garantizar el funcionamiento de este.
RLED= Vcc- VFmin = 22V = 2.2kOhms
If
10mA
El esquemático del opto acoplador se puede ver en la figura
15 (ver punto 4.1.2.2) también este circuito se utiliza como
circuito de seguridad en cualquier entrada de sensores al
PSoC™, ya que algunos sensores análogos para su
funcionamiento entran en corto como lo son los de rayos
gamma. En la siguiente grafica se muestra la relación Vin/Vout
del Opto acoplador en el sensor análogo.
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aunque existen diferentes tipos de codificación. Se optó por la
llamada codificación X1, en esta cuando el pulso en el canal A
ocurre antes que en el B, el incremento se produce por el flanco
de subida del canal A. Cuando el pulso en el canal B ocurre
antes que el canal A, el decremento se produce por el flanco de
bajada del canal A.
Fig. 20. Codificación para conteo Up/Down.
Fig. 18. Gráfica de los datos obtenidos mediante mediciones al circuito
receptor de lazo 4 -20mA,
6.3 DESARROLLO DEL CONTEO UP/DOWN
TACOMETRO
Y DEL
6.3.1 Conteo Up/Down
Para realizar estas medidas se requieren de dos bloques
digitales del tipo COUNTER en el PSoC™, los cuales son de 8
bytes cada uno.
Cada uno de estos bloques nos permitirá utilizar un contador
descendente cuya entrada externa será el mismo valor de reloj
(“Clock”), originada desde el tren de pulsos del encoder.
La resolución del Contador está dada por la cantidad de bits
que maneja cada bloque, cabe aclarar que se podían manejar
contadores de hasta 32bytes pero por cuestiones de espacio de
bloques digitales se opto solo por los de 8 Bytes, así pues la
resolución para cada bloque vendrá dada por:
ResD = Vmáx = 5V = 19.53mV/b
bitsMax 256b
Para la recepción de pulsos, se utiliza un encoder (ver
numeral 4.1.1.1), el cambio de dirección genera un código
binario GRAY que nos permite observar la siguiente maquina
de estado.
Como no hay un habilitador incremental/decremental para
este módulo en PSoC™, cada contador se vuelve ascendente
restándole al valor de bits máximo que puede tener. El conteo
leído que ahora es ascendente, se realiza para cada canal en
separado hasta cuando estos llegan al máximo (“overflow”) y
se comparan constantemente para restar o sumar el conteo.
Cada contador es habilitado por un valor de reloj (“Enable”)
originado por el canal opuesto del que se están contando sus
pulsos (“Clock”), como su codificación es inversa cuando va en
sentido contrario, es decir está en cuadratura, es necesario
invertir la entrada de habilitación, como se puede ver en la
figura.
Fig. 21. Esquema conceptual del codificador en cuadratura.
Como tanto los malacates como la mesa rotatoria necesitan
cambiar de giro, tanto para cambiar el sentido de penetración,
como para subir y/o bajar el varillaje de perforación, el operario
necesita ver si los motores están o no en el movimiento que se
requiera.
6.3.2 Tacómetro
Para la creación del tacómetro se deben saber cuantos pulsos
se tienen en el encoder para completar una vuelta, o un ciclo.
Para hallar las RPM se tiene que
Circunferencia=¶*diámetro=C
Encoding arc= ((360º)*(Dist. Encoding))/C
No. Pulsos-Vuelta= 360º/Encoding arc
RPM= (Pulsos/No. Pulsos-Vuelta)*60
Fig. 19. Código binario de 2 bits generado por nuestro encoder.
Pero como pueden tomarse los pulsos de subida y de bajada
de cada canal, lo cual cambiaría nuestra maquina de estado y
En nuestro caso el factor de división será igual a 6 por ser el
número de pulsos para generar una vuelta como se puede ver en
la figura 12 (ver punto 4.1.1.1). Debido a que este encoder no
refleja valores lógicos (L=1,8 V, H=2,4 V), se usa un opto
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acoplador para acondicionar la señal
Del mismo modo hay dos formas típicas para la medición de
la frecuencia: Ventana de Tiempo Y Medir el Tiempo de Un
Ciclo
6.3.2.1 Ventana de tiempo
Es contar el número de pulsos en un tiempo predeterminado.
La frecuencia de entrada (Finput), es dividida por la frecuencia
de muestreo o de ventana, como se muestra en la formula:
Por definición, el valor acumulado debe ser un valor de
número entero, mientras esto es lo más probable la proporción
las dos frecuencias no lo son. Para tales casos, el valor
acumulado se diferenciará por 1 y el promedio de muchos
valores acumulados igualará dicha proporción. Primero
probamos una señal de entrada de 12.5 Hz (Originada por un
555) la cual se acumuló en 1 muestra por segundo (sps). El
valor acumulado fue:
 10, el 80 % del tiempo.
 15, el 20 % del tiempo.
De cinco mediciones tomadas con el Tacómetro podemos
observar que esto se cumple
13
Siendo esta directamente proporcional a las sps, por Ej., para
1 sps en una frecuencia de 1Hz y así sucesivamente. (Plaza,
1990), en nuestro caso el sps depende de un bloque TIMER_16
para generar una ventana de tiempo de un segundo y el bloque
COUNTER_8 para contar las muestras en ese intervalo de
tiempo.
De este modo, el error estaría dado por:
Por ende este tipo de medición de frecuencias es útil para
frecuencias de muestreo 100 veces menores que la frecuencia
de entrada, para tener un error del 0,01%, este sistema se
utilizará para medir las RPM en la mesa rotatoria que
alcanzarán valores de 10000 RPM.
6.3.2.2 Medir el tiempo de un ciclo
Este sistema de medición de frecuencia, permite cronometrar
en que momento el pulso sufre un flanco ascendente y
descendente y así saber por medio de un reloj digital la
duración del pulso (Edge-to-Edge accuracy).
La siguiente fórmula muestra como se calcula el valor
acumulado. (Plaza, 1990)
El problema de este método es que la frecuencia a ser medida
debe ser menor a la frecuencia del reloj ya que si es mayor el
reloj se excede de su cuenta (overflow)
Tabla 5. Tabla de comportamiento de la ventana de tiempo, donde la
muestra tomada por segundo es multiplicada por 60 para tomar las RPM
Luego al aumentar las sps hasta 10 y medir el pulso con el
encoder y un motor DC de ½ HP con RPM constante igual a
1750 se mantiene el intervalo de error, pero disminuye el rango
de error.
Tabla 6. Valores tomados de la ventana de tiempo, con el motor y sensor
acoplados.
Debido a esto, el error relativo se presenta en la forma en que
la frecuencia medida (F measured) es calculada así:
Este tipo de método es excelente ya que permite calcular el
Ciclo Útil (Duty Cycle) del pulso y evitar así vibraciones no
deseadas, este método se implementará en los Contadores de
posición Up/Down para la posición del malacate.
7. FUENTES DE ERROR
Durante el desarrollo del proyecto se presentan múltiples
inconvenientes debidos a las interferencias electromagnéticas
(EMI) producidas por el ruido de la protoboard y los armónicos
de las señales digitales. Aunque aun no se ha probado en una
torre petrolera, se mantendrá el utilizar al microcontrolador
PSoC™ que permitió trabajar bajo las condiciones dadas. El
no aislar de una manera correcta tierras análogas y digitales
hizo que se presentaran problemas de ruido en la señal de
salida, problema que se solucionó con un correcto
acondicionamiento de las señales, de igual modo la tierra
común entre la medición de los lazos de corriente, fue aislada
por medio de opto acopladores. También para mejorar el
comportamiento lineal de los amplificadores de
transimpedancia se optó el uso de trimmers calibrados,
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igualmente es importante observar que ambos canales del
encoder estén opto acoplados, conectados y compartan la
misma tierra.
8. CONCLUSIONES
Al utilizar la Tecnología PSoC™ se pueden bajar los costos
y disminuir el circuito en proporciones insospechadas, debido a
que no se tuvieron que comprar una cantidad exagerada de
componentes. Lo complicado es que siendo esta tecnología
relativamente nueva, su programación difiere a la de los
microcontroladores normalmente usados, por ende hay que
apropiarse de este nuevo conocimiento.
Los sensores constituyen el principal medio de enlace entre
los procesos industriales y los circuitos electrónicos encargados
de controlarlos o monitorearlos, los sensores ofrecen la
posibilidad de la comunicación entre el mundo físico y los
sistemas de control en tipos de procesos industriales. El más
utilizado por sensores industriales es el lazo de corriente, y no
existe hasta la fecha ninguna aplicación de este estilo hecha en
PSoC™ a nivel comercial.
La instrumentación virtual se ve como una posible y mas
rentable solución para cambiar los sistemas tradicionales de
SCADA disminuyendo los costos de instrumentación
tradicional, creando en un futuro una telemetría virtual 100%
flexible.
También concluimos que cuando se manejan diferentes tipos
y protocolos de comunicación entre microcontroladores no se
perdían los datos, si se mantiene un sistema lógico de recepción
y transmisión de estos independiente que los protocolos sean
asíncronos o no, teniendo en cuenta el no superar la capacidad
de bits por segundo de cada uno. Además como este prototipo
es modular y gracias a la comunicación I2C puede albergar
aproximadamente 39 tarjetas esclavas y a su vez por conectarse
mediante USB se pueden enlazar 127 dispositivos como este al
PC, cuyos datos podrían enviarse a través de Internet y/o VPN.
El software integrado a este sistema de adquisición de datos
está diseñado bajo un ambiente gráfico sencillo y permite que el
usuario entienda fácilmente el comportamiento de las variables,
además es extremadamente flexible y fácil de usar, con una
funcionalidad ilimitada y puede ser definida a las necesidades
de las diferentes torres de perforación sin mayores costos de
reingeniería en la programación.
En el diseño de tarjetas, observamos que si un transmisor
tiene señales de entrada referenciadas al campo de tierras,
tendremos la existencia de potenciales de loops de tierra, este
tipo de potencial causará degradación de la señal.
El aislamiento es un aspecto extremadamente importante
para la transmisión de la señal, así: Loops de señal, fuente de
14
potencia y tierras, deberán siempre estar completamente
aisladas unos de otros. Por ende para brindar seguridad se opto
acoplaron las entradas análogas y digitales.
De igual modo para el desacoplamiento de circuitos digitales
se utilizó un capacitor para eliminar el ruido que pueda existir.
Lastimosamente por cuestiones fuera de nuestro poder no se
pudo probar en una torre petrolera real, pero este estudio sirve
para mostrar la viabilidad de los Microcontroladores PSoC™
como base fundamental en sistemas de adquisición de datos y
como se extienden casi ilimitadamente las posibilidades, con un
microcontrolador flexible y robusto, manejando a su vez una
Instrumentación Virtual igualmente flexible, aplicada a las
necesidades de cada usuario, o en nuestro caso de cada torre
petrolera. Este prototipo servirá de modelo de referencia para
futuras investigaciones en este campo.
9. REFERENCIAS
[1] AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE (API), “Specification for Rotary
Drilling Equipment (SPEC 7)”.Washington D.C. EEUU 1965
[2]Ashby, Robert. “Designer’s Guide to the Cypress PSoC™”. Newness, 2
Edición EEUU; 2005
[3] Bentley B, John P. “Sistemas de Medición Principios y Aplicaciones”,
Primera Edición español. Compañía editorial Continental, México. 1996
[4] Calderón J. Instrumentación Virtual. Universidad de los Andes. Maracaibo
Venezuela. 1998
[5] Creus Sole, Antonio, “Instrumentación Industrial”; Marcombo, 5 edición,
España, 1999.
[6]ECOPETROL. “Petróleo en Colombia”, Bogotá Colombia. 1999
[7]ECOPETROL. “Sistemas de MWD/LWD en Colombia” Revista Carta
petrolera. Junio 2005
[8] Instrumentation Reference and Catalogue. National Instruments. USA.
1997.
[9] Jacob, Michael; “Industrial Control Electronics”; Pretince Hall; Toronto
1996
[10] Maloney Timothy “Electrónica Industrial Moderna”; Pretince Hall,
Barcelona, España, 2002.
[11]Mian, Mohammed A. Petroleum Engineering Handbook for the practicing
Engineering: Volume 1. Penn Well 1992
[12]Person, A J. Miscellaneous Well Logs. University Of Texas. EEUU .1982
[13] Plaza Prada, Ricardo; “Instrumentación Industrial: Sistema de Medición y
Control Automático, curso general”; México, 1990.
10. AUTORES
MARIO ALBERTO SALAZAR BARRETO, es estudiante de tecnología en
Electrónica. Sus áreas de interés son el diseño de hardware, las
comunicaciones y redes industriales. En la actualidad es Integrante del Grupo
de Investigación INTEGRA.
E-mail: mario_salazarb@hotmail.com
FRANCISCO GONZALEZ BUITRAGO es estudiante de tecnología en
Electrónica, ha realizado estudios en bases de datos, mantenimiento de redes y
sistemas de computación, sus áreas de interés son la Nanorobótica, la
programación, el diseño de software y las redes industriales. En la actualidad
es integrante del Grupo de Investigación INTEGRA.
E-mail: pachogonbu@yahoo.com