instrumentacion Virtual Industrial

H en r y An t on io Men dibu r u Día z
INSTRUME NTACIÓN
VIRTUAL
INDUSTRIAL
PERÚ
MMVI
INSTRUME NTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Derechos r eservados conforme a Ley
Partida Registral N° 00768-2006
Asiento 01 , Expediente N° 001162-2006
INDECOPI PERÚ
(VERSIÓN E -BOOK)
Copyright © Henry Antonio Mendiburu Díaz
Impreso en Perú Julio/2006
Formato: 25x18cm, 180 páginas
No se permite la reproducción total o parcial de este libro, ni el
almacenamiento en un sistema informático, ni la transmisión
mediante cualquier medio electrónico, mecánico, fotocopia, por
registro u otro, sin la autorización previa del titular del Copyright.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
INTRODUCCION
E n los ú lt im os a ñ os el con cept o de a u t om a t iza ción h a ido evolu cion a n do
r á pida m en t e debido a qu e con ella se pu ede m ejor a r la s oper a cion es de u n
pr oceso pr odu ct ivo, a dem á s de la ca lida d de los bien es pr odu cidos,
garantiza n do a la s em pr esa s logr a r su s objet ivos con u n desem peñ o
óptimo.
Un sist em a a u t om a t iza do est a con for m a do por elem en t os o in st r u m en t os,
lo cu a les son u t iliza dos pa r a m edir va r ia bles física s, ejer cer a ccion es de
control y transmitir señales. La automatiza ción br in da fa ct ibilida d pa r a la
im plem en t a ción de fu n cion es de a n á lisis, opt im iza ción y a u t odia gn óst ico,
a u m en t o en el r en dim ien t o de los equ ipos y fa cilida d pa r a in cor por a r
nuevos equipos y sistemas de información.
Los a va n ces t ecn ológicos de los ú lt im os a ñ os h a n a bier t o posibilida des
pa r a ca m bia r la est r u ct u r a r ígida de los sist em a s t r a dicion a les, por u n a
est r u ct u r a flexible qu e se a poya en la s com pu t a dor a s, cir cu it os de
a con dicion a m ien t o, t r a n sm isión de da t os, h a r dwa r e de a dqu isición de
datos y software.
La in st r u m en t a ción vir t u a l lo con st it u ye el con ju n t o de soft wa r e y
h a r dwa r e qu e a gr ega do a u n a P C, per m it e a los u su a r ios in t er a ct u a r con
la computadora como si se estuviera utilizando un instrumento electrónico
h ech o a l gu st o del clien t e. La s m edicion es y a ccion a m ien t os se r ea liza n
sobr e el ca m po r ea l, per o los sist em a s de con t r ol, m eca n ism os,
r egist r a dor es, y ot r os disposit ivos ser á n a dqu ir idos e in t er con ect a dos en el
ca m po vir t u a l. La idea es su st it u ir y a m plia r elem en t os "h a r dwa r e" por
otros "software",
E st e libr o es u n a in t r odu cción a la s n u eva s h er r a m ien t a s qu e per m it en la
sim u la ción de in st r u m en t os loca les o r em ot os y la a dqu isición y pr ocesa do
de señ a les, br in da n do la posibilida d de cr ea r desde volt ím et r os y
osciloscopios, h a st a a lgor it m os gen ét icos y r edes in du st r ia les pa r a
diver sa s a plica cion es en los ca m pos de la in gen ier ía , la m edicin a , la
domótica, la educación, etc.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
E n t r e los t em a s t r a t a dos en est e libr o t en em os u n a in t r odu cción a la
in st r u m en t a ción in du st r ia l y a los pr ocedim ien t os de ca libr a ción de
in st r u m en t os; dia gr a m a s, sím bolos y r epr esen t a cion es gr á fica s de
instrumentación; sistemas de control automático, métodos y estrategias de
con t r ol, sist em a s de a u t om a t iza ción ; gen er a lida des a cer ca de la
in st r u m en t a ción vir t u a l, a dqu isición de da t os, digit a liza ción de señ a les,
diseñ o de in st r u m en t os vir t u a les; r edes y com u n ica cion es in du st r ia les,
pr ocesa m ien t o de da t os en t iem po r ea l, bu ses de com u n ica ción pa r a IV,
h a r dwa r e y soft wa r e u t iliza do pa r a IV; a sí com o ejem plos de a plica cion es
de instrumentación virtual.
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ÍNDICE
INTRODUCCIÓN
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ÍNDICE
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Capítulo I: INSTRUMENTACIÓN Y CALIBRACIÓN
1. Introducción a la instrumentación
1.1. Introducción
1.2. Características de los instrumentos
2. Introducción a la calibración
2.1. La calibración
2.2. Metrología
2.3. Patrones y trazabilidad
2.4. Calibración de instrumentos y patrones
3. Definiciones generales
4. Instrumentos industriales
4.1. Clasificación de los instrumentos industriales
4.2. Lazos de control
4.3. Acciones de control
5. Errores de medición
5.1. Tipos de error
6. Procedimientos de calibración
6.1. Procedimientos y recomendaciones
6.2. Normas ISO 17025 y ISO 9001
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Capítulo II: SIMBOLOGÍA INDUSTRIAL
1. Introducción a la simbología industrial
2. Simbología de figuras
3. Simbología de líneas
4. Símbolos de válvulas y actuadores
5. Diagramas de instrumentación
6. Simbolismo de funciones
7. Identificación de instrumentos
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Capítulo III: SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO
1. Definiciones básicas
2. Elementos de un sistema de control automático
3. Características del control
3.1. Modelamiento matemático
3.2. Análisis de un sistema
3.3. Características dinámicas
4. Métodos de control
4.1. Métodos de control clásico
4.2. Métodos de control moderno
4.3. Métodos de control avanzado
4.4. Controlador lógico programable (PLC)
5. Estrategias de control
6. Sistemas Scada
6.1. Elementos del sistema
7. Sistemas de automatización
7.1. Elementos de una instalación automatizada
7.2. Procesos de operación del sistema
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Capítulo IV: INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL
1. Introducción a la instrumentación virtual
1.1. Generalidades
1.2. Instrumentación virtual frente a la convencional
2. Adquisición de datos
2.1. Etapas de la adquisición de datos
2.2. Acondicionamiento de señales
3. Digitalización de señales
3.1. Convertidor A/D D/A
3.2. Error de conversión
4. Diseño y selección de tarjetas DAQ
4.1. Tipos de tarjetas DAQ
4.2. Componentes de las tarjetas DAQ
5. Diseño de instrumentos virtuales
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Capítulo V: COMUNICACIONES Y TRANSMISIÓN DE DATOS
1. Redes industriales
1.1. Jerarquías de redes
1.2. Clasificación de las redes
1.3. Sistemas de control distribuido
2. Comunicaciones industriales
2.1. Generalidades
2.2. Modelo OSI
2.3. Protocolos de comunicación
3. Procesamiento de datos en tiempo real
3.1. Sistemas en tiempo real
3.2. Software para sistemas RT
3.3. Control en tiempo real
4. Bus de comunicaciones para instrumentación
4.1. Arquitectura ISA
4.2. Arquitectura PCI
4.3. Puerto USB
4.4. Puerto PCMCIA
4.5. Arquitectura CompactPCI (cPCI)
4.6. Arquitectura PC/104
4.7. Puerto serial y puerto paralelo
4.8. IEEE-488 GPIB
4.9. Bus VXI
4.10. Otras arquitecturas y buses
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Capítulo VI: HARDWARE Y SOFTWARE PARA
INSTRUMENTACIÓN VIRUAL
1. Hardware para instrumentación virtual
1.1. Computadoras industriales
1.2. Puertos de comunicaciones
1.3. Sensores y DAQs
1.4. Tarjetas de adquisición
1.5. Dispositivos adicionales
2. Software para instrumentación virtual
2.1. Cyber tools
2.2. DasyLab
2.3. LabView
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2.4. Matlab Simulink
2.5. Otros softwares para adquisición y procesamiento de datos
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Capítulo VII: APLICACIONES DE INSTRUMENTACIÓN
VIRTUAL
1. Introducción
2. Adquisición y análisis de electrocardiogramas
3. Medidor virtual de energía eléctrica
4. Identificación de sistemas o procesos
5. Simulador de sistemas educativos
6. Implementación de un controlador PID
7. Desarrollo de filtros digitales
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Anexo I: UNIDADES DEL SISTEMA DE MEDIDAS
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Anexo II: CODIGOS ISA PARA INSTRUMENTACION
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BIBLIOGRAFÍA
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Capítulo I
INSTRUME NTACION Y
CALIBRACION
1. INTRODUCCION A LA INSTRUMENTACION
1.1. INTRODUCCION
Los in st r u m en t os pu eden ser u t iliza dos pa r a m edir va r ia bles física s, ejer cer
a ccion es de con t r ol m edia n t e elem en t os a ct u a dot es, t r a n sm it ir in for m a ción de
u n pu n t o a ot r o, in t er pr et a r señ a les y m edia n t e a lgor it m os decidir el
funcionamiento del sistema.
Los in st r u m en t os pu eden ser elem en t os eléct r icos, m ecá n icos, n eu m á t icos,
h idr á u licos, elect r ón icos, u n a com bin a ción de est os, o in clu sive elem en t os
activados manualmente.
Los instrumentos de medición pueden ser:
- Ciegos: Cu a n do n o t ien en n in gu n a in dica ción visible de la lect u r a
tomada
- In dica dor es: Cu a n do per m it en visu a liza r a n a lógica o digit a lm en t e la
lectura tomada
- Regist r a dor es: Cu a n do son ca pa ces de a lm a cen a r la in for m a ción
medida generando un historial de datos.
- Tr a n sm isor es: Cu a n do son ca pa ces de en via r la s lect u r a s t om a da s
hacia un punto remoto.
1.2. CARACTERISTICAS DE LOS INSTRUMENTOS
La s ca r a ct er íst ica s de los in st r u m en t os son a plica dos gen er a lm en t e a los
in st r u m en t os de m edición , per o los in st r u m en t os a ct u a dor es t a m bién
responden a las mismas características, estas son:
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Campo de Medida o Rango (Range)
E l r a n go es el con ju n t o de va lor es en la esca la de m edición den t r o de los
lím it es su per ior e in fer ior , den ot a la ca pa cida d del equ ipo, pu ede expr esa r se
en unidades físicas.
Alcance (Span)
E l spa n es la difer en cia a lgebr a ica en t r e los va lor es su per ior e in fer ior del
rango del equipo.
Exactitud
La exa ct it u d es la ca pa cida d del in st r u m en t o pa r a a cer ca r se y poder m edir el
va lor r ea l. E s el pa r á m et r o qu e r epr esen t a o den ot a cu a n do u n a lect u r a pu ede
ser in cor r ect a , gen er a lm en t e se r epr esen t a com o u n por cen t a je de la esca la
completa de lectura, o en términos de +/ las unidades del instrumento.
Precisión (Accuracy)
La pr ecisión es la ca pa cida d del in st r u m en t o pa r a poder in dica r el va lor r ea l.
P r ecisión es u n t ér m in o qu e descr ibe el gr a do de division es qu e t ien e u n
in st r u m en t o en la esca la , si la esca la se su bdivide en m a yor n ú m er o de
division es, el in st r u m en t o podr á señ a la r de for m a m á s pr ecisa la m edición
dada.
Zona Muerta Dead zone, dead band)
La zon a m u er t a es el in t er va lo de va lor es de la va r ia ble qu e n o h a ce va r ia r la
in dica ción o la señ a l del in st r u m en t o, es decir qu e n o se pr odu ce respuesta
alguna.
Umbral
E s el n ivel m ín im o n ecesa r io pa r a qu e el in st r u m en t o em piece a in dica r u n a
medida, o para que empiece a ser registrado como un cambio.
Sensibilidad (Sensitivity)
La sen sibilida d est a da da por la r a zón en t r e el in cr em en t o de la lect u r a y el
in cr em en t o de la va r ia ble qu e la oca sion a , despu és de h a ber a lca n za do el
reposo.
Repetibilidad (Repeatibility)
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La r epet ibilida d es la ca pa cida d del in st r u m en t o de m edir o in dica r va lor
idén t icos de la m ism a va r ia ble ba jo la s m ism a s con dicion es de fu n cion a m ien t o
en todos los casos.
Resolución
La r esolu ción es la m ín im a su bdivisión de la esca la . A m a yor r esolu ción es
instrumento será mas preciso.
Incertidumbre
La in cer t idu m br e den ot a la in exa ct it u d del in st r u m en t o o la t en den cia a l
error que pueda tener.
Linealidad
La lin ea lida d es a qu ella r ect a qu e in dica el gr a do de pr opor cion a lida d en t r e la
variable física y el valor medido, o entre la variable física y la acción ejercida.
Histéresis (Hysteresis)
La h ist ér esis es la difer en cia m á xim a qu e se obser va en los va lor es in dica dos
por el in st r u m en t o pa r a u n m ism o va lor del ca m po de m edida , cu a n do la
va r ia ble r ecor r e t oda la esca la en for m a a scen den t e y lu ego en for m a
descendente.
2. INTRODUCCION A LA CALIBRACION
2.1. LA CALIBRACION
Calibr a ción es a qu el con ju n t o de oper a cion es con la s qu e se est a blece, en u n a s
con dicion es especifica da s, la cor r espon den cia en t r e los va lor es in dica dos en el
in st r u m en t o, equ ipo o sist em a de m edida , o por los va lor es r epr esen t a dos por
u n a m edida m a t er ia liza da o m a t er ia l de r efer en cia , y los va lor es con ocidos
cor r espon dien t es a u n a m a gn it u d de m edida o pa t r ón , a segu r a n do a sí la
t r a za bilida d de la s m edida s a la s cor r espon dien t es u n ida des bá sica s del
Sist em a In t er n a cion a l (SI) y pr ocedien do a su a ju st e o expr esa n do est a
correspondencia por medio de tablas o curvas de corrección.
Ca libr a ción es sim plem en t e el pr ocedim ien t o de com pa r a ción en t r e lo qu e
in dica u n in st r u m en t o y lo qu e "debier a in dica r " de a cu er do a u n pa t r ón de
referencia con valor conocido.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
La ca libr a ción im plica u n a ju st e qu e lleve a la igu a lda d del va lor m edido y el
pa t r ón de r efer en cia , o la in dica ción de u n fa ct or de cor r ección a ser a plica do
matemáticamente luego de ejercida una medición.
Los patrones también deben ser calibrados por instituciones autorizadas, cada
cier t o t iem po, est a s in st it u cion es em it en u n cer t ifica do de ca libr a ción qu e
autoriza al patrón para ser utilizado para calibrar otros instrumentos.
E l con cept o de ca libr a ción est a r ela cion a do con el con cept o de verificación, se
entien de est e ú lt im o com o el ch equ eo in t er n o en t r e ca libr a cion es, o la s
pr u eba s pa r a com pr oba r el cor r ect o fu n cion a m ien t o de u n equ ipo despu és
de un ajuste o un periodo prolongado de uso.
Cier t os equ ipos n o se pu eden ca libr a r o a ju st a r la lect u r a , per o si se pu ede
ver ifica r su cor r ect a lect u r a , y se pu ede em it ir u n cer t ifica do de ver ifica ción ,
es cu a l in dica r á u n fa ct or de cor r ección a ser a plica do por el oper a dor en el
m om en t o de r egist r a r u n a m edición . Se r ecom ien da a ju st a r dich o fa ct or de
corr ección ú n ica m en t e pa r a los va lor es den t r o del á r ea de t r a ba jo del
instrumento
E l cer t ifica do de ca libr a ción t a m bién pu ede ir a com pa ñ a do de u n certificado
de con for m ida d, est e in dica qu e se h a cu m plido con n or m a s in t er n a cion a les y
procedimientos estandarizados.
2.2. METROLOGIA
La Met r ología es la cien cia y el a r t e de m edir cor r ect a m en t e. Com o la s
m edicion es son im por t a n t es en pr á ct ica m en t e t odos los pr ocesos pr odu ct ivos,
su relevancia para la calidad es de suma importancia.
Medir "bien " n o es sólo m edir con cu ida do, o u t iliza n do el pr ocedim ien t o y los
in st r u m en t os a decu a dos. Adem á s de lo a n t er ior , se t r a t a de qu e la s
u n ida des de m edida sea n equ iva len t es y sea n igu a les en cu a lqu ier pa r t e
del mundo y bajo las mismas circunstancias.
E st o se a segu r a cu a n do ca da pa ís t ien e u n a in fr a est r u ct u r a m et r ológica ,
com pa t ible y liga da con la s in fr a est r u ct u r a s m et r ológica s de ot r os pa íses,
con sist en t e en la dispon ibilida d de la bor a t or ios don de se pu eda ca libr a r los
instrumentos de medición.
La com pa t ibilida d en t r e pa íses se a segu r a m edia n t e in t er -comparaciones
per iódica s, en la s cu a les u n det er m in a do pa t r ón de m edida es m edido
sucesivamente por los diferentes laboratorios.
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2.3. PATRONES Y TRAZABILIDAD
P a r a ca libr a r u n in st r u m en t o o pa t r ón es n ecesa r io dispon er de u n o de m a yor
pr ecisión qu e pr opor cion e el va lor con ven cion a lm en t e ver da der o qu e es el qu e
se em plea r á pa r a com pa r a r lo con la in dica ción del in st r u m en t o som et ido a
ca libr a ción . E st o se r ea liza m edia n t e u n a ca den a in in t er r u m pida y
docu m en t a da de com pa r a cion es h a st a llega r a l pa t r ón , y qu e con st it u ye lo qu e
llamamos trazabilidad.
La trazabilidad puede estar dada por una curva o por un cuadro comparativo.
2.4. CALIBRACION DE INSTRUMENTOS Y PATRONES
E l en vejecim ien t o de los com pon en t es, los ca m bios de t em per a t u r a y el est r és
m ecá n ico qu e sopor t a n los equ ipos det er ior a poco a poco su s fu n cion es. La
cor r ect a ca libr a ción de los equ ipos pr opor cion a la segu r ida d de qu e los
productos o servicios que se ofrecen reúnen las especificaciones requeridas.
Los in st r u m en t os, sobr e t odo a qu ellos qu e sir ven pa r a la m edición de
va r ia bles son ca libr a dos m edia n t e pa t r on es cer t ifica dos. A su vez los pa t r on es
t a m bién son ca libr a dos m edia n t e pa t r on es cer t ifica dos per o m u ch o m á s
precisos.
E l t en er u n in st r u m en t o ca libr a do n o sign ifica qu e est e fu n cion a "bien ".
Sign ifica sola m en t e qu e la difer en cia en t r e lo qu e el in st r u m en t o in dica y "lo
que debiera indicar" es conocida.
E s posible t r a ba ja r con u n pa t r ón a n t igu o qu e pr esen t e u n er r or gr a n de,
siem pr e qu e el cer t ifica do de ca libr a ción lo a pr u ebe y a plica n do el fa ct or de
cor r ección a decu a do. P or ot r o la do si se cu en t a con u n pa t r ón n u evo per o qu e
n o t ien e su cor r espon dien t e cer t ifica do de ca libr a ción , est e n o ser á con fia ble
puesto que no hay una institución que garantice su correcta indicación.
Los cer t ifica dos qu e t ípica m en t e vien en con los equ ipos n u evos son en
gen er a l de m u y poco va lor com o a segu r a m ien t o de la s ca r a ct er íst ica s
m et r ológica s del in st r u m en t o. E s siem pr e r ecom en da ble ca libr a r los
equ ipos de im por t a n cia pa r a la ca lida d de la pr odu cción , a u n sí est os son
nuevos.
Una buena calibración debe buscar los siguientes objetivos:
- Mantener y verificar el buen funcionamiento de los equipos
- Responder a los requisitos establecidos en las normas de calidad
- Garantizar la fiabilidad y trazabilidad de las medidas.
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3. DEFINICIONES GENERALES
ACCE SIBLE : E st e t ér m in o se a plica a u n disposit ivo o fu n ción qu e pu ede ser
u sa do o vist o por u n oper a dor con el pr opósit o de su per visa r el desem peñ o de
la s a ccion es de con t r ol (com o por ejem plo ca m bios en el set -poin t , set eo
automático / manual, encendido / apagado, etc.)
AGENTE DE CONTROL: Material o energía del proceso que afecta el valor de
la va r ia ble con t r ola da y su ca n t ida d es r egu la da por el elem en t o fin a l de
control.
ALARMA: E s u n disposit ivo o fu n ción qu e det ect a la pr esen cia de u n a
con dición a n or m a l, y la m a n ifiest a m edia n t e u n a señ a l a u dible y/o lu m in osa ,
con el fin de atraer la atención.
ASIGNABLE : E st e t ér m in o se a plica a u n a ca r a ct er íst ica qu e per m it e el
ca m bio (o dir ección ) de u n a señ a l de u n disposit ivo a ot r o sin la n ecesida d de
la activación de un switch o algún otro elemento.
AUTORRE GULACIÓN: Ca r a ct er íst ica in h er en t e del pr oceso la cu a l lleva a
una condición de equilibrio sin la intervención de un control automático.
BANDA P ROP ORCIONAL: La ga m a de va lor es a t r a vés de los cu a les la
va r ia ble con t r ola da debe ca m bia r pa r a ca u sa r qu e el elem en t o fin a l de con t r ol
se mueva de un extremo a otro.
BINARIO / DIGITAL: Tér m in o a plica do a u n a señ a l o disposit ivo qu e t ien e
solo dos posicion es o est a dos discr et os (0/1, on /off, a pa ga do/en cen dido,
bajo/alto).
BOARD: Tér m in o en in glés el cu a l se in t er pr et a com o sin ón im o de pa n el .
BURBUJ A: Sím bolo cir cu la r u sa do pa r a den ot a r e iden t ifica r el pr opósit o de
u n in st r u m en t o o fu n ción . P u ede con t en er u n a et iqu et a con u n n ú m er o.
Ta m bién es lla m a do ba lón .
CIRCUITO DE CONTROL: E s u n sist em a den t r o del cu a l u n cier t o va lor en
m a gn it u d debe ser m a n t en ido den t r o de lím it es, pr eest a blecidos. Un cir cu it o
de control (LOOP) puede ser manual o automático.
CONF IGURABLE : Tér m in o a plica do a u n disposit ivo o sist em a cu ya s
características funcionales pueden ser seleccionadas a voluntad del usuario.
CONTROLADOR: Disposit ivo en ca r ga do de r egu la r u n a va r ia ble o señ a l de
m a n er a especifica da por el pr oceso, pu ede ser a u t om á t ica m en t e o
manualmente.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
CONVERTIDOR: Es aquel dispositivo que recibe una señal de un instrumento
de det er m in a da m a n er a y la r et r a n sm it e de u n a m a n er a difer en t e. Ta m bién
conocido como transductor.
DE TRÁS DE L P ANE L: E st e t ér m in o se r efier e a la posición de u n
in st r u m en t o, el cu a l h a sido m on t a do en u n pa n el de con t r ol, per o n o es
normalmente accesible al operador.
DISP OSITIVO COMP UTABLE : Disposit ivo o fu n ción qu e em plea u n o o m á s
cá lcu los u oper a cion es lógica s, t r a n sm it ien do u n o o m á s r esu lt a dos a la s
señales de salida.
E F E CTO P E LTIE R: Cu a n do u n a cor r ien t e eléct r ica es pa sa da por a t r a vés de
dos m et a les difer en t es, en u n sen t ido el ca lor es a bsor bido y la u n ión en fr ia da
y en el sen t ido opu est o el ca lor es liber a do est e efect o es r ever sible, es decir , si
la unión se calienta o enfría se genera una fem. en uno u otro sentido.
E F E CTO TH OMP SON: E n u n m et a l h om ogén eo se a bsor be ca lor cu a n do u n a
corriente eléctrica fluye en un sentido y se libera calor cuando fluye en sentido
con t r a r io. E st e efect o es r ever sible de m odo qu e se gen er a u n a fem . en u n o u
otro sentido si hay un gradiente de temperatura en un metal homogéneo.
E LE ME NTO F INAL DE CONTROL: Disposit ivo qu e con t r ola dir ectamente
los valores de la variable manipulada en un lazo de control.
E LE ME NTO P RIMARIO: E s u n disposit ivo en ca r ga do de r ecoger señ a les de
campo, conocido como sensor.
E STACIÓN DE CONTROL: Am bien t e físico en don de se en cu en t r a n los
controladores y desde donde se supervisa el funcionamiento de estos.
E STACIÓN MANUAL-AUTO: Tér m in o em plea do com o sin ón im o de est a ción
de control.
F LUIDO DE ME DICIÓN: Un flu ido o en er gía qu e lleva la señ a l pr odu cida en
el elem en t o pr im a r io o u n r ecept or , qu e pu ede ser u n in dica dor , u n
registrador, un transmisor, etc.
FUNCIÓN: Propósito o lógica que debe cumplir un dispositivo de control
IDE NTIF ICACIÓN: Secu en cia de let r a s y/o dígit os, u sa dos pa r a señ a la r u n
instrumento en particular o un lazo.
INSTRUME NTACIÓN: Colección de in st r u m en t os o su s a plica cion es con el
fin de observar mediciones, control, o cualquier combinación de estos.
13
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
LAZO: Com bin a ción de u n o o m á s in st r u m en t os o fu n cion es de con t r ol qu e
señ a la n el pa so de u n o a ot r o con el pr opósit o de m edir y/o con t r ola r la s
variables de un proceso.
LOCAL: E s la loca liza ción de u n in st r u m en t o qu e n o est a n i den t r o n i sobr e
un panel o consola, ni esta en un cuarto de control.
LUZ PILOTO: Es una luz que indica las condiciones normales de un sistema o
dispositivo.
MEDIDA: Determinación de la existencia o magnitud de una variable
MONITOR: Tér m in o gen er a l pa r a u n in st r u m en t o o sist em a de in st r u m en t os
u sa dos pa r a la m edición o con ocer la m a gn it u d de u n a o m á s va r ia bles con el
pr opósit o de em plea r la in for m a ción en det er m in a do m om en t o. Algu n a s veces
significa analizador, indicador, alarma.
MONTADO E N P ANE L: Tér m in o a plica do a u n in st r u m en t o qu e est a
m on t a do sobr e u n pa n el o con sola y es a ccesible pa r a u n oper a dor en u so
normal.
P ANE L: E st r u ct u r a qu e t ien e u n gr u po de in st r u m en t os m on t a dos sobr e ella .
El panel puede consistir de una o varias secciones, cubículos, consolas.
P ANE L LOCAL: Qu e n o est a en u n pa n el cen t r a l, los pa n eles loca les est á n
comúnmente en el ámbito de subsistemas de plantas o sub-áreas.
P LC (Con t r ola dor Lógico P r ogr a m a ble): E s u n t ipo de con t r ola dor , el cu a l es
programable, y usualmente usado para control secuencial.
POSICIONES: Acción del controlador en el cual el elemento final de control es
m ovido de u n a de la s posicion es fija s a la ot r a a va lor es det er m in a da s de la
variable controlada.
P ROCE SO: E s cu a lqu ier oper a ción o secu en cia de oper a cion es qu e in volu cr en
u n ca m bio de en er gía , com posición , dim en sión , u ot r a s pr opieda des qu e
pueden referirse a un dato.
P ROGRAMA: Secu en cia r espet a ble de a ccion es qu e defin en el n ivel de la s
sa lida s sigu ien do u n pa t r ón ba sa do en la r ela ción en t r a da -sa lida , ba sa do en
los requerimientos del sistema.
P UNTO DE AJ USTE : E s el va lor de la va r ia ble con t r ola da qu e se desea
mantener y es ajustado mecánicamente o por otro medio.
14
Henry Antonio Mendiburu Díaz
PUNTO DE P RUE BA: P r oceso
per m a n en t em en t e con ect a do, su
intermitente a un instrumento.
de u n a con exión el cu a l n o est a
con exión es sola m en t e t em por a l o
RE LAY: Disposit ivo cu ya fu n ción es pa sa r in for m a ción sin a lt er a r la o solo
m odifica r la en det er m in a da for m a . E s u sa do pa r a r efer ir se a equ ipos de
cómputo.
SE NSOR: Disposit ivo qu e ca pt a o det ect a el va lor de u n a va r ia ble del pr oceso,
y emite una salida correspondiente al valor leído.
SE ÑAL DE CONTROL: Ta m bién lla m a da sa lida del con t r ola dor , es u n a
m a gn it u d en pr esión , cor r ien t e o volt a je, obt en ida com o r esu lt a do de u n a
operación en el controlador.
SET-P OINT: P u n t o de r efer en cia qu e se desea logr a r por pa r t e de la va r ia ble
que se esta controlando.
SWITCH : Disposit ivo qu e con ect a , descon ect a , seleccion a , o t r a n sfier e u n o o
más circuitos de un punto a otro.
TRANSDUCTOR: Disposit ivo qu e r ecibe in for m a ción en for m a de señ a l física ,
transformándola o convirtiéndola en una señal eléctrica.
TRANSMISOR: Disposit ivo qu e r ecibe la señ a l del sen sor y la t r a n sm it e h a cia
u na unidad remota.
VÁLVULA DE CONTROL: E s u n a vá lvu la a ccion a da m a n u a l o
a u t om á t ica m en t e en ca r ga da de ejecu t a r la t a r ea r egu la dor a or den a da por el
controlador.
VARIABLE CONTROLADA: E s u n a va r ia ble de pr oceso qu e es m edida y/o
controlada por un sistema de control.
VARIABLE MANIP ULADA: E s a qu ella qu e r ecibe la a cción de con t r ol, y cu ya
va r ia ción per m it e m a n t en er en el va lor desea do a la va r ia ble qu e se desea
con t r ola r . Va r ia ble del a gen t e de con t r ol qu e se oper a por el elem en t o fin a l de
control y directamente cambia la energía del proceso.
VARIABLE S DE P ROCE SO: Cu a lqu ier pr opieda d qu e pu eda va r ia r du r a n t e
el proceso, y que intervienen directamente en el desempeño del mismo.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
4. INSTRUMENTOS INDUSTRIALES
Los in st r u m en t os in du st r ia les son t odos a qu ellos disposit ivos eléct r icos,
m ecá n icos, elect r ón icos, n eu m á t icos, h idr á u licos qu e son u t iliza dos en u n
a m bien t e in du st r ia l com o pa r t e de u n pr oceso pr odu ct ivo, cu yo u so per m it e el
desarrollo de las acciones de control.
Los instrumentos industriales pueden realizar las siguientes funciones:
Sensar o captar una variable
Acondicionar una variable dada
Transmitir una variable
Controlar una variable
Indicar la magnitud de una variable
Totalizar una variable
Registrar una variable
Convertir una variable
Manifest a r u n a a la r m a con r espect o a la m a gn it u d de u n a
variable
Interrumpir o permitir una secuencia dada
Transmitir una señal
Amplificar una señal
Manipular una variable del proceso, etc.
4.1. CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS INDUSTRIALES
Los instrumentos industriales se pueden clasificar de la siguiente manera:
Por su aplicación:
Neumáticos
Hidráulicos
Eléctricos
Electrónicos
Electromecánicos
Mixtos
Transductores
Amplificadores
Indicadores
Analizadores
Estación de operador
Estación de control
Estación de transferencia
Relevador de cálculo.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Por su localización:
Instalados en campo
Instalados localmente
Instalados en tablero principal
Instalados remotamente.
Por su tecnología:
Sistemas discretos
Sistemas de control digital directo
Sistemas de supervisión
Sistemas de control supervisorio
Sistemas de control supervisorio y adquisición de datos
Sistemas de control distribuido
Sistemas de control avanzado
Sistemas de control adaptables
Sistemas expertos.
4.2. LAZOS DE CONTROL
Un la zo de con t r ol cer r a do est a con for m a do por u n elem en t o pr im a r io de
m edición (sen sor ), u n elem en t o fin a l de con t r ol (a ct u a dor ), el con t r ola dor , y el
proceso que se desea controlar.
Los in st r u m en t os in du st r ia les com o los sen sor es y a ct u a dor es se dict a m in a n
de acuerdo a la variable del proceso que se esta controlando.
Elemento Primario de Medición
E l elem en t o pr im a r io de m edición o sen sor , es a qu el qu e det ect a el va lor de
sa lida ósea es la por ción de los m edios de m edición qu e pr im er o u t iliza o
t r a n sfor m a la en er gía del m edio con t r ola do. P u eden ser elem en t os eléct r icos,
mecánicos, electrónicos, o una combinación de varios
Los sen sor es pu eden ser ú n ica m en t e in dica dor es si n o t r a sm it en n in gu n a
señal hacia otro dispositivo.
E l t ipo de sen sor depen de de la va r ia ble del pr oceso. E n t r e los elem en t os
pr im a r ios de m edición m á s com u n es pa r a los pr ocesos de n ivel, t em per a t u r a ,
presión, y flujo son:
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Nivel
Temperatura
Presión
Flujo
De boya
Capacitivo
Inductivo
Diferenciales de presión
Para sólidos
Para líquidos
Termómetros bimétalicos
Termómetros de vástago de vidrio
Pirómetros de radiación ópticos
Pirómetros de radiación infrarrojos
Indicadores pirometricos
Termómetros de cristal de cuarzo
Sistemas termales
Termopares
Resistencias eléctricas
Tubo Bourdon
Columnas
Diferenciales
Diafragmas
Fuelles
Cápsulas
Campanas
Tubo pifot
Magnético
Turbina
Bomba dosificadora
Tubo venturi
Derramadores
Tubo de Dali
Tubo de Gentile
Rotámetro
Annubar
Placa de orificio
Tarjet
Remolino
Vortex
Elemento Final de Control
E l elem en t o fin a l de con t r ol o a ct u a dor , es a qu el qu e r ecibe u n a señ a l
(eléct r ica , m ecá n ica , n eu m á t ica , et c.) del disposit ivo con t r ola dor , lo in t er pr et a
y ejer ce u n a t a r ea qu e t ien e por objet ivo elim in a r el er r or y cu m plir con la s
tareas de control propias del proceso que se lleve a cabo.
18
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Los actuadores más comunes son:
Válvulas
Pistones
Motores
Relés
Contactores
Bobinas
Controlador
El controlador es un instrumento utilizado para corregir los desvíos existentes
en t r e el va lor m edido por u n sen sor y el va lor desea do o set poin t ,
pr ogr a m a do por u n oper a dor ; em it ien do u n a señ a l de cor r ección h a cia el
actuador.
Los controladores pueden ser del tipo: manual, neumático ó digitales; así como
la s com pu t a dor a s con t a r jet a s de a dqu isición de da t os y los P LC
(Controladores Lógicos Programables).
Proceso
E l t ér m in o pr oceso, pa r a los fin es de con t r ol sign ifica el equ ipo a a u t om a t iza r
en don de se est a biliza la va r ia ble de con t r ol, a t r a vés de los sen sor es,
actuadores y controladores.
4.3. ACCIONES DE CONTROL
Las acciones con las que responde un controlador pueden ser de dos tipos:
Directa
La acción directa considera un que si la variable aumenta, la salida aumenta.
P or ejem plo: Se t ien e u n t a n qu e de a gu a cu yo n ivel se desea m a n t en er en la
m it a d (t ien e u n a en t r a da de a gu a con st a n t e), pa r a ello se a br e o se cier r a u n a
vá lvu la de sa lida de a gu a , la a cción dir ect a su gier e qu e a m edida qu e el n ivel
de a gu a a u m en t a , la vá lvu la de sa lida debe a u m en t a r el ca u da l del a gu a , por
tanto abrirse.
Inversa
La acción inversa considera que si la variable aumenta la salida disminuye.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
P or ejem plo: Se t ien e u n t a n qu e de a gu a cu yo n ivel se desea m a n t en er en la
m it a d (t ien e u n a sa lida de a gu a con st a n t e), pa r a ello se a br e o se cier r a u n a
vá lvu la de en t r a da de a gu a , la a cción in ver sa su gier e qu e a m edida qu e el
n ivel de a gu a a u m en t a , la vá lvu la de en t r a da debe dism in u ir el ca u da l del
agua, por tanto cerrarse
No t odos los sist em a s cu en t a n con elem en t os pa r a m edir t oda s la s va r ia bles
que intervienen en el proceso, así tenemos:
Sistemas Abiertos
Son aquellos que no verifican o rectifican la salida del proceso, esto se refiere a
qu e en est os t ipos de sist em a s ú n ica m en t e va n a con t r ola r la s difer en t es
variables antes del proceso o durante si.
Por ejemplo el proceso de transporte de cajas de un punto a otro mediante una
fa ja t r a n spor t a dor a , se con t r ola qu e in gr esen ca ja s a la fa ja con u n a
sepa r a ción en t r e ella s pr edet er m in a da , y se a su m e qu e dich o elem en t o sa ldr á
por el otro extremo del conductor.
Sistemas Cerrados
Son a qu ellos sist em a s en don de el a pa r a t o de con t r ol ver ifica la sa lida del
proceso. Para este tipo de sistemas se tiene más control sobre el proceso.
P or ejem plo el pr oceso de ca len t a m ien t o de u n a su st a n cia den t r o de u n
eva por a dor , se ver ifica la t em per a t u r a con la qu e en t r a y con la qu e sa le la
sustancia.
Los sistemas cerrados se clasifican en 2 tipos:
Sist em a s Cer r a dos de P r ea lim en t a ción .- Son a qu ellos sist em a s don de el
elem en t o pr im a r io de m edición se en cu en t r a in st a la do a n t es de en t r a r a l
proceso y el medio que estamos controlando.
Sist em a s Cer r a dos de Ret r oa lim en t a ción .- Son a qu ellos sist em a s en don de el
elem en t o pr im a r io de m edición , se en cu en t r a en la sa lida del pr oceso y el
medio que se esta controlando.
5. ERRORES DE MEDICIÓN
E l er r or de m edición es la in exa ct it u d pr odu cida a l com pa r a r u n a m a gn it u d
con su pa t r ón de m edida . E s la difer en cia a lgebr a ica en t r e el va lor leído o
transmitido por el instrumento y el valor real de variable medida.
El error generalmente tiene sus causas debido a los siguientes motivos:
20
Henry Antonio Mendiburu Díaz
1. P r opios del sist em a : E l sist em a pr esen t a r u ido y/o ot r os fa ct or es in t er n os
que alteran las medidas del sensor o las acciones del elemento de control.
2. P or pa t r on es fa lsos: Se pr esen t a cu a n do se h a ca libr a do los sen sor es con
patrones alterados y por tanto estos informan una lectura equivocada.
3. Ruidos Exteriores: Se deben a perturbaciones del medio ambiente (ondas de
r a dio, efect os elect r om a gn ét icos). Todos los ca bles de in st r u m en t a ción son
blin da dos y t or cidos pa r a r edu cir la in flu en cia ext er n a a l m ín im o en la s ca ja s
de conexión así como problemas de mala conexión a tierra.
4. Tiem po de Respu est a : La m a yor ía de los in st r u m en t os de m edición est á n
ca libr a dos pa r a qu e t r a ba jen com o sist em a s de 2° or den cr it ico (sist em a
elect r om ecá n ico), la con st a n t e de t iem po del sist em a , la m a yor ía de la s
variables físicas se calibran para tiempo critico pero aun así tienen atraso.
5.1. TIPOS DE ERROR
Error Angular o de Linealidad
Apa r ece en el cen t r o de la ga m a cu a n do la s lect u r a s son cier t a s a l pr in cipio y
al final de la escala.
Error Dinámico
Difer en cia en t r e el va lor in st a n t á n eo de la va r ia ble y el va lor leído por el
instrumento y es afectado por las condiciones dinámicas del proceso.
Error Estático
E r r or obt en ido cu a n do el pr oceso est a en r égim en per m a n en t e y la va r ia ble
medida no cambia su valor.
Error Lineal o de Cero
Es constante a lo largo de la escala. Existe un off-set en el instrumento.
Error sistemático.
Este er r or se or igin a esen cia lm en t e por u n a deficien t e ca libr a ción del
instrumento en relación al patrón.
Error de apreciación
Se gen er a en el m om en t o de obser va r o r ecoger la m edida . Mien t r a s m á s
pequeña sea la menor división de su escala menor será el error de apreciación.
Error accidental
Originado por factores accidentales o aleatorios entre los cuales se encuentran
la s im pr ecision es de m a n ipu la ción del oper a dor qu e h a ce la m edición o
factores ajenos al instrumento.
21
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
6. PROCEDIMIENTOS DE CALIBRACION
6.1. PROCEDIMIENTOS Y RECOMENDACIONES
Cu a n do el in st r u m en t o se ca libr a con t r a u n in st r u m en t o de r efer en cia , su
exa ct it u d m ost r a r á si est a fu er a o den t r o de la s lim it es de exa ct it u d, si el
in st r u m en t o est a den t r o del lim it e de m edición , el ú n ico cu r so de a cción
r equ er ido es r egist r a r los r esu lt a dos de ca libr a ción en la h oja de con t r ol del
inst r u m en t o y pon er lo en fu n cion a m ien t o h a st a el sigu ien t e per iodo de
calibración.
Documentación de los sistemas de medición y su calibración
Todos los sist em a s de m edición y ca libr a ción im plem en t a dos deben est a r
docu m en t a dos, en el ca so de pequ eñ a s com pa ñ ía s t oda in for m a ción r eleva n t e
debo est a r con t en ida den t r o de u n m a n u a l, m ien t r a s qu e para u n a em pr esa
gr a n de es a pr opia do t en er volú m en es sepa r a dos cu br ien do pr ocedim ien t os
corporativos y por áreas.
Registro de los Instrumentos
Se debe t en er u n r egist r o sepa r a do pa r a ca da in st r u m en t o del sist em a don de
se especifique como mínimo.
-
Su número de serie.
El nombre de la persona responsable para su calibración.
La frecuencia de calibración requerida.
La fecha de la última calibración.
Resultados de la calibración.
El contenido mínimo de un Certificado de Calibración debe ser:
-
22
Identificación del equipo calibrado
Identificación de los patrones utilizados y garantía de su trazabilidad
Referencia al procedimiento o instrucción de calibración utilizado
Condiciones ambientales durante la calibración
Resultados de la calibración
Incertidumbre asociada a la medida
Fecha de calibración
Firma (o equivalente) del responsable de la calibración
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Recolección de datos
Cu a n do se pr ocede a r ecolect a r da t os r efer en t es a m edicion es es n ecesa r io
r egist r a r fa ct or es ext er n os com o h u m eda d, t em per a t u r a , a lt u r a sobr e el n ivel
del m a r , r u ido ext er n o, et c., debido a qu e en la m edida de lo posible dich a s
con dicion es a m bien t a les deben ser r epr odu cida s en el la bor a t or io de
ca libr a ción pa r a qu e dich o in st r u m en t o se com por t e de m a n er a sim ila r a su
entorno de trabajo habitual y cotidiano.
Recomendaciones
-
-
-
-
Se r ecom ien da
ela bor a r
un
pr ocedim ien t o de ca libr a ción
est a n da r iza do pa r a t oda s la s á r ea s de la em pr esa , pa r a lo cu a l es
preferible seguir estándares y normas aprobadas internacionalmente.
Se r ecom ien da n om br a r u n en ca r ga do gen er a l pa r a t oda la em pr esa , y
est e ser á el r espon sa ble de ela bor a r u n cr on ogr a m a pa r a ca libr a ción
de instrumentos y patrones.
Se r ecom ien da ca da cier t o t iem po ver ifica r a lea t or ia m en t e a cier t os
equ ipos cr ít icos pa r a com pr oba r si sigu en ca libr a dos, de n o ser el ca so
se debe r ea ju st a r el pla zo en t r e ca libr a ción y ca libr a ción pa r a dicho
instrumento.
Se r ecom ien da qu e los cer t ifica dos de ca libr a ción , cer t ifica dos de
ver ifica ción y docu m en t os de r egist r o de in st r u m en t os se a gr u pen
junto a los manuales del mismo instrumento.
6.2. NORMAS ISO 17025 y ISO 9001
La ISO (In t er n a t ion a l St a n da r ds Or ga n iza t ion ) es la Or ga n iza ción
In t er n a cion a l pa r a la E st a n da r iza ción . F u e cr ea da en 1946 y est á con st it u ida
por institutos nacionales de estandarización (normalización) de países grandes
y pequ eñ os, in du st r ia liza dos y en desa r r ollo, de t oda s les r egion es del m u n do.
La ISO desa r r olla volu n t a r ia m en t e n or m a s y r ecom en da cion es qu e
con t r ibu yen a qu e el desa r r ollo, la fa br ica ción y el su m in ist r o de pr odu ct os y
ser vicios sea n m á s eficien t es, segu r os y lim pios. E st e va lor a ñ a dido h a ce qu e
el com er cio en t r e los pa íses sea m á s fá cil y equ it a t ivo. La s n or m a s ISO
t a m bién sir ven pa r a sa lva gu a r da r los der ech os de los con su m idor es y
usuarios.
La n or m a ISO 9001 est a or ien t a da m á s cla r a m en t e a los r equ isit os del
sist em a de gest ión de la ca lida d de u n a or ga n iza ción . Con la fin a lida d de
pr om over el a segu r a m ien t o de la ca lida d en los la bor a t or ios den t r o de la
Un ión E u r opea (UE ) se llegó a l est a blecim ien t o de la n or m a E N 45001 (ISO
17025)
23
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Características y requerimientos ISO 9001:
-
Tr a za bilida d de la s m edida s y con ocim ien t o de la in cer t idu m br e de
dicha medida
Estructura y organización de actividades de laboratorio
Ca lifica ción y com pet en cia del per son a l Iden t ifica ción del per son a l
clave
Esquema de aprobación, firmas (y sellado)
Utilización del equipo de medida, prueba y calibración
Informe de resultados
Las aportaciones de ISO 17025 y que la diferencian de ISO 9001 son:
-
-
24
Requerimientos más prescriptivos
Factores que promuevan independencia en la medida
Designar personal técnico y gerencia competente en temas de calidad
Aspectos de confidencia y protección de propiedad intelectual
Requ isit os con m a yor a lca n ce específico pa r a eva lu a r Iden t ifica r y
definir metodología para asegurar consistencia de la calibración
Requ isit os de a m bien t e y pla n t el físico en don de se r ea liza n la m edida
y la calibración
Aspect os de or ga n iza ción , sa n ida d y lim pieza en la s pr em isa s de
actividades
Requ isit os específicos pa r a segr ega r , m a n t en er , m a n ipu la r y
almacenar
Medida y t r a za bilida d a pa t r on es de ca libr a ción r econ ocidos
(in t er n a cion a lm en t e) y ext en der a m edida , pr u eba s y en sa yos segú n
sea apropiado
Metodología consistente para pruebas, ensayos y calibración
Da t os e in for m a ción r eleva n t e a los r equ er im ien t os con t r a ct u a les (de
cliente regulatorio y esquema industrial)
Controles estrictos sobre procesos y actividades
Registros de los aspectos previamente indicados
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Capítulo II
SIMBOLOGIA INDUSTRIAL
1. INTRODUCCION A LA SIMBOLOGÍA INDUSTRIAL
Los sím bolos son r epr esen t a cion es gr á fica s de la r ea lida d, con el objet ivo de
qu e dich os sím bolos sea n con ocidos por t odo m u n do se cr ea n n or m a s y
estándares.
Todos los dia gr a m a s de con t r ol de pr ocesos est á n com pu est os de sím bolos,
iden t ifica cion es y lín ea s, pa r a la r epr esen t a ción gr á fica de idea s, con cept os y
a pa r a t os in volu cr a dos en el pr oceso; a su vez, descr iben la s fu n cion es a
desempeñar y las interconexiones entre ellos. Estos símbolos e identificaciones
son u sa dos pa r a a yu da r a entender el pr oceso y pr opor cion a r in for m a ción
acerca del mismo.
E l sim bolism o es u n pr oceso a bst r a ct o en el cu a l la s ca r a ct er íst ica s sa lien t es
de los disposit ivos o fu n cion es son r epr esen t a dos de for m a sim ple por figu r a s
geom ét r ica s com o cír cu los, r om bos, t r iá n gu los y ot r os pa r a escr ibir ca r a ct er es
com o let r a s y n ú m er os iden t ifica n do la u bica ción y el t ipo de in st r u m en t o a
ser utilizado.
E s com ú n en la pr á ct ica pa r a los dia gr a m a s de flu jo de in gen ier ía om it ir los
sím bolos de in t er con exión y los com pon en t es de h a r dwa r e qu e son r ea lm en t e
n ecesa r ios pa r a u n sist em a de t r a ba jo, pa r t icu la r m en t e cu a n do la
simbolización eléctrica interconecta sistemas.
Los pla n os de in st r u m en t a ción , ya sea n n eu m á t icos, eléct r icos, digit a les, et c.
est á n n or m a liza dos pa r a u n a cor r ect a in t er pr et a ción de ca da u n o de ellos.,
ca da pla n o r epr esen t a u n pr oceso in dividu a l, el con ju n t o de pla n os
representará el sistema industrial.
Los t a m a ñ os ópt im os de los símbolos pu eden va r ia r depen dien do en don de o
n o es r edu cido el dia gr a m a y depen dien do el n ú m er o de ca r a ct er es
seleccion a dos a pr opia da m en t e a com pa ñ a dos de ot r os sím bolos de ot r os
equ ipos en u n dia gr a m a . Un pla n o pu ede lleva r sím bolos pr opios a jen os a la s
nor m a s, per o se r ecom ien da u n a leyen da explica t iva pa r a fa cilit a r la r á pida
comprensión del plano por parte de personas externas.
25
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
2. SIMBOLOGIA DE FIGURAS
Un globo o cír cu lo sim boliza a u n in st r u m en t o a isla do o in st r u m en t o discr et o,
para el ca so don de el cír cu lo est a den t r o de u n cu a dr a do, sim boliza u n
in st r u m en t o qu e com pa r t e u n displa y o u n con t r ol. Los h exá gon os se u sa n
pa r a design a r fu n cion es de com pu t a dor a . P a r a t er m in a r el los con t r oles
lógicos pr ogr a m a bles P LC's se sim boliza n con u n r om bo den t r o de u n
cuadrado.
Instrumento Discreto
Display Compartido,
Control Compartido
Función de
computadora
Control Lógico
Programable
Los sím bolos t a m bién in dica n la posición en qu e est á n m on t a dos los
in st r u m en t os. Los sím bolos con o sin lín ea s n os in dica n est a in for m a ción . La s
líneas son variadas como son: una sola línea, doble línea o líneas punteadas.
Montado en
Tablero
Normalmente
accesible al
operador
Instrumento
Discreto o Aislado
Display
compartido,
Control
compartido.
Función de
Computadora
Control Lógico
Programable
26
Montado en
Campo
Ubicación
Auxiliar.
Normalmente
accesible al
operador.
Henry Antonio Mendiburu Díaz
La s lín ea s pu n t ea da s in dica n qu e el in st r u m en t o est a m on da do en la pa r t e
posterior del panel el cual no es accesible al operador.
Instrumento Discreto
Función de
Computadora
Control Lógico
Programable
E l Cír cu lo se u sa pa r a in dica r la pr esen cia de u n in st r u m en t o y com o
elem en t o descr ipt or ; com o sím bolo de u n in st r u m en t o r epr esen t a , el con cept o
de un dispositivo o función.
Circulo como instrumento
Círculo como identificador
PI
1
FV
2
La localización del instrumento en la planta se indica dibujando:
Ninguna línea para instrumentos montados en planta (o campo)
Un a lín ea sólida dividien do el cír cu lo pa r a in st r u m en t os m on t a dos en
paneles de salas de control (de fácil acceso para el operador).
Un a lín ea en t r ecor t a da dividien do el cír cu lo pa r a in st r u m en t os
m on t a dos det r á s de pa n eles o ga bin et es (de fá cil a cceso pa r a el
operador).
27
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Un a lín ea sólida doble dividien do el cír cu lo pa r a in st r u m en t os
montados en paneles auxiliares o secundarios.
Lín ea s en t r ecor t a da s dobles dividien do el cír cu lo pa r a in st r u m en t os
montados detrás de paneles secundarios
PI
1
Instrumento en el campo
PI
1
Instrumento montado en panel
FY
3
Instrumento montado detrás del panel
PI
1
Instrumento montado en panel auxiliar
FY
4
Instrumento montado detrás de panel
auxiliar
28
Henry Antonio Mendiburu Díaz
3. SIMBOLOGÍA DE LÍNEAS
La sim bología de lín ea s r epr esen t a la in for m a ción ú n ica y cr it ica de los
dia gr a m a s de in st r u m en t a ción y t u ber ía s. La s lín ea s in dica n la for m a en qu e
se in t er con ect a n los difer en t es in st r u m en t os a sí com o la s t u ber ía s den t r o de
un lazo de control.
La s lín ea s pu eden in dica r difer en t es t ipos de señ a les com o son n eu m á t ica s,
eléctricas, ópticas, señales digitales, ondas de radio etc.
Conexión a proceso, enlace
mecánico, o alimentación de
instrumentos.
Señal indefinida
ó
USA
Internacional
Señal Eléctrica
Señal Hidráulica
Señal Neumática
Señal electromagnética o sónica
(guiada)
Señal electromagnética o sónica
(no guiada)
Señal neumática binaria
ó
Señal eléctrica binaria
Tubo capilar
Enlace de sistema interno
(software o enlace de información)
Enlace mecánico
29
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Se su gier en la s sigu ien t es a br evia t u r a s pa r a r epr esen t a r el t ipo de
alimentación (o bien de purga de fluidos):
AS
Alimentación de aire.
ES
Alimentación eléctrica.
GS
Alimentación de gas.
HS
Alimentación hidráulica.
NS
Alimentación de nitrógeno.
SS
Alimentación de vapor.
WS
Alimentación de agua.
4. SÍMBOLOS DE VÁLVULAS Y ACTUADORES
VÁLVULAS
Símbolos para válvulas de control
Compuert a
Tres vías
Ángulo
Mariposa
Obturador
rotativo o válvula
de bola
Cuatro vías
Globo
Diafragma
ACTUADORES
Símbolos para actuadores.
Diafragma de válvula, con muelle
30
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Diafragma con muelle, posicionador y válvula piloto y válvula que presuriza el
diafragma al actuar.
Preferido
Opcional
Cilindro sin posicionador u otro piloto
Motor rotativo
Simple acción
Preferido para cualquier
cilindro
Solenoide
Actuador manual
Doble acción
Electrohidráulico
Para Válvula de alivio
o de seguridad
Acción del actuador en caso de fallo de aire (o de potencia)
Abre en fallo
Cierra en fallo
Abre en fallo a vía A-C
31
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Abre en fallo a vías A-C
y D-B
Posición indeterminada
en fallo
Se bloquea en fallo
Actuadores representados mediante cuadrados:
s
Representación de un
actuador de selenoide
Representación de un
actuador de pistón
Representación de un
actuador de pistón de doble
acción
E
H
Representación de un
a ctuador electrohidraúlico
32
Henry Antonio Mendiburu Díaz
X
Representación de un
actuador no convencional
Representación de un
posicionador para válvula
FY
Indicador de función
5
5. DIAGRAMAS DE INSTRUMENTACIÓN
EJEMPLO DE REPRESENTACION DE ALGUNOS PROCESOS
33
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
DIAGRAMA UNIFILAR
E s u n dia gr a m a qu e a gr u pa la sim bología de for m a s y lín ea s, qu e expr esa la
secuencia que sigue el proceso. Se construye colocando los instrumentos de del
sist em a en u n a a lin ea ción ver t ica l. E s com ú n coloca r en el pr opio dia gr a m a
las señales de entrada y salida de cada instrumento.
Ejemplo del diagrama unificar para un proceso de control de temperatura:
EJEMPLO DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN
Diagrama de instrumentación de un proceso de control de flujo de agua
E n est a pla n t a se con t r ola el flu jo de a gu a , qu e pa sa por u n a t u ber ía ,
m edia n t e u n a vá lvu la pr opor cion a l, u n sen sor m ide el flu jo a ct u a l y u n
con t r ola dor P ID se en ca r ga de la s a ccion es de con t r ol, a dicion a lm en t e se
cuenta con un registrador de datos.
34
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Una bomba proporciona el caudal de agua que pasa primero por un rotámetro
qu e in dica el flu jo de a gu a , lu ego pa sa por el sen sor de flu jo, y fin a lm en t e por
la válvula proporcional que regula el flujo de agua.
E l con t r ola dor cier r a el la zo con la s señ a les del sen sor , y da la or den a la
válvula
FI
FE
FIC
FR
I/P
Indicador de flujo
Sensor de flujo
Controlador e indicador de flujo
Registrador de flujo
Transductor de corriente a presión
35
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Dia gr a m a de in st r u m en t a ción de u n pr oceso de con t r ol de pr esión den t r o de
un tanque:
E n ést a pla n t a se con t r ola la pr esión de a ir e en el in t er ior de u n t a n qu e. E l
a ir e de a lim en t a ción pa sa por u n r ot á m et r o, y lu ego pa sa por la vá lvu la
proporcional n eu m á t ica qu e r egu la la pr esión de a ir e de a lim en t a ción qu e
in gr esa a l t a n qu e. Un sen sor de pr esión in dica la pr esión de a ir e en el
in t er ior del t a n qu e. E l con t r ol es por r ea lim en t a ción n ega t iva , con u n la zo
PID.
FI
PE
PIC
PR
I/P
36
Indicador de flujo
Sensor de presión
Controlador e indicador de presión
Registrador de presión
Transductor de corriente a presión
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Dia gr a m a de in st r u m en t a ción de u n pr oceso de con t r ol en ca sca da de u n
reactor exotérmico:
El control en cascada consta de dos mallas de control retroalimentadas una de
los cu a les es in t er ior a la ot r a . E n u n a m a lla in t er n a se t ien e el con t r ol de
n ivel den t r o del r ea ct or , y en la m a lla ext er n a se t ien e el con t r ol de
temperatura del reactor.
LT
LIC
TT
TIC
Transmisor de nivel
Controlador e indicador de nivel
Transmisor de temperatura
Controlador e indicador de temperatura
37
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
6. SIMBOLISMO DE FUNCIONES
E l sim bolism o u t iliza do pa r a det er m in a r a lgu n os bloqu es de fu n cion es para
cada instrumento se presentan a continuación.
E st os sím bolos pu eden r epr esen t a r por ejem plo los a lgor it m os im plem en t a dos
vía soft wa r e en u n a com pu t a dor a , de est e m odo u n in st r u m en t o vir t u a l pu ede
r epr esen t a r se m edia n t e fu n cion es m a t em á t ica s y ser leído en u n pla n o de
instrumentación.
Los con t r ola dor es P ID, P LC, Neu r onales, etc., por lo gen er a l t r a en est os
bloqu es pa r a ser im plem en t a dos den t r o de su s pr ogr a m a s, la u t iliza ción de
est os sím bolos a yu da a en t en der la lógica de pr ogr a m a ción segu ida por qu ien
desarrollo el programa.
38
Henry Antonio Mendiburu Díaz
7. IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS
La iden t ifica ción de los sím bolos y elem en t os debe ser a lfa n u m ér ica , los
n ú m er os r epr esen t a n la u bica ción y est a blecen el la zo de iden t ida d, y la
codificación alfabética identifica al instrumento y a las acciones a realizar.
Especificaciones según Instrumental Society of America (ISA) :
LETRA
PRIMERA LETRA
VARIABLE
MEDIDA
A
Análisis
(composición)
B
Combustión
C
D
Conductividad,
Concentración
Densidad, Peso
Especifico
E
Voltaje
F
Flujo
MODIFICADO
LETRA SUCESIVA
FUNCIONES
PASIVAS Ó
LECTURAS DE
SALIDA
Alarma,
Emergencia
Regulación (ON
OFF)
FUNCIONES
DE SALIDA
MODIFICADAS
Control
Diferencial
Sensor
Fracción
Dispositivo de
visión
G
H
Mano (acción
manual)
I
Corriente Eléctrica
K
Tiempo
Alarma de alta
Indicación
(indicador)
Razón del
cambio de
39
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
tiempo
L
Nivel
M
Humedad
N
Luz
Intermedio ó
Medio
Libre a elección
Libre a elección
Orificio,
restricción
Punto de prueba
ó conexión
O
P
Presión
Q
Cantidad
R
Radiación
S
Velocidad,
Frecuencia
T
Temperatura
Transmisor
U
Multivariable
Multifunción
W
Peso (fuerza)
Pozo
V
Vibración o Análisis
Mecánico
X
Libre a elección
Y
Z
Evento, Estado,
Presencia
Posición,
Dimensionamiento
Alarma de baja
Integrado,
Totalizado
Registro
Seguridad
Interruptor
Multifunción
Válvula
Eje X
Eje Y
Eje Z
Libre a elección
Libre a
elección
Relé,
Computadora
Actuador,
Manejador
Algunos ejemplos:
FE
LR
TI
MC
EH
FIC
FY
PY
PDI
LAH
TIC
PDC
TV
TT
40
Multifunción
Sensor de flujo
Registrador de nivel
Indicador de temperatura
Controlador de humedad
Alarma de voltaje alto
Controlador Indicador de flujo
Relé de Flujo
Relé de presión
Indicador Presión Diferencial
Nivel con Alarma de Alta
Controlador Indicador de Temperatura
Controlador Presión Diferencial
Válvula de Temperatura
Transmisor de Temperatura
Libre a elección
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Algunos ejemplos de símbolos gráficos y letras ISA:
41
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Capítulo III
SISTE MAS DE CONTROL
AUTOMATICO
1. DEFINICIONES BÁSICAS
CONTROL : Acción ejercida con el fin de poder mantener una variable
dentro de un rango de valores predeterminados.
SISTE MA DE CONTROL : Con ju n t o de equ ipos y com pon en t es, qu e
van a permitir llevar a cabo las operaciones de control.
OP E RACIONE S DE CONTROL : Con ju n t o de a ccion es qu e bu sca n
m a n t en er u n a va r ia ble den t r o de pa t r on es de funcionamiento
deseados.
CONTROL AUTOMÁTICO : E s el desa r r ollo de la a cción de con t r ol,
sin la participación directa de un ser humano (operario).
SISTE MA DE CONTROL AUTOMÁTICO : Con ju n t o de elem en t os
(sen sor , a ct u a dor , con t r ola dor y pr oceso) qu e for m a n pa r t e de u n
pr oceso
pr odu ct ivo
in du st r ia l
y
qu e
va n
a
fu n cion a r
independientemente de la acción del hombre
AUTOMÁTICO : E s t odo a qu ello qu e se m u eve, r egu la , y oper a , por sí
solo, independiente del medio que lo rodea.
AUTOMATIZACIÓN : Con sist e de u n sist em a de con t r ol a u t om á t ico,
por el cu a l el sist em a ver ifica su pr opio fu n cion a m ien t o, efect u a n do
mediciones y correcciones sin la interferencia del ser humano.
SISTE MA DE AUTOMATIZACIÓN : Con ju n t o de equ ipos, sist em a s
de in for m a ción , y pr ocedim ien t os qu e va n a per m it ir a segu r a r u n
desem peñ o in depen dien t e del pr oceso, a t r a vés de oper a cion es de
control y supervisación.
SUP E RVISIÓN Y MONITORE O : E s el pr oceso de lect u r a de va lor es
de la s diver sa s va r ia bles del pr oceso, con el objet ivo de iden t ifica r el
estado en el que se viene desarrollando el proceso en un tiempo actual.
42
Henry Antonio Mendiburu Díaz
2. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO
E l sist em a de con t r ol va a a ct u a r in depen dien t e del oper a r io y va a
det er m in a r por sí m ism o los m ejor es va lor es pa r a la s señ a les de con t r ol. Para
ello se con t a r á con u n a referencia, qu e es u n va lor da do por el oper a r io, est e
valor es fijo y depende del tipo de proceso y de las exigencias que este amerite;
es con ocido com o set -poin t , est e va lor es el qu e se desea a lca n za r y
mantener.
Perturbaciones
Referencia
CONTROLADOR
ACTUADOR
PROCESO
Variable
de
salida
SENSOR
CONTROLADOR : E s a qu el in st r u m en t o qu e com pa r a el va lor m edido con el
va lor desea do, en ba se a est a com pa r a ción ca lcu la u n er r or (difer en cia en t r e
va lor m edido y desea do), pa r a lu ego a ct u a r a fin de cor r egir est e er r or . Tien e
por objet ivo ela bor a r la señ a l de con t r ol qu e per m it a qu e la va r ia ble
controlada corresponda a la señal de referencia.
Los con t r ola dor es pu eden ser de t ipo m a n u a l, n eu m á t ico, elect r ón ico; los
con t r ola dor es elect r ón icos m á s u sa dos son : com pu t a dor a s con t a r jet a s de
a dqu isición
de da t os, P LC (con t r ola dor es lógicos pr ogr a m a bles),
microcontroladores (PIC).
E l t ipo de con t r ola dor m á s com ú n es el P LC, el cu a l es u n equ ipo elect r ón ico
ba sa do en m icr opr ocesa dor es, h a ce u so de m em or ia s pr ogr a m a bles y
regrabables (RAM), en don de se a lm a cen a n in st r u ccion es a m a n er a de
a lgor it m os qu e va n a per m it ir segu ir u n a lógica de con t r ol. Con t ien e
in t er fa ces qu e le per m it en m a n eja r gr a n n ú m er o de en t r a da s y sa lida s t a n t o
analógicas como digitales.
ACTUADOR : E s a qu el equ ipo qu e sir ve pa r a r egu la r la va r ia ble de con t r ol y
ejecu t a r la a cción de con t r ol, es con ocido com o elem en t o fin a l de con t r ol, est os
pueden ser de 3 tipos :
43
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Act u a dor es eléct r icos : Son u sa dos pa r a posicion a r disposit ivos de
m ovim ien t os lin ea les o r ot a cion a les. E j. m ot or , r elé, swit ch ,
electroválvulas.
Act u a dor es n eu m á t icos : Tr a ba ja n con señ a les de pr esión , est a s señ a les
son con ver t ida s a m ovim ien t os m ecá n icos. E j. pist on es n eu m á t icos,
válvulas.
Act u a dor es h idr á u licos : Oper a n igu a l a los n eu m á t icos, son u sa dos en
t a r ea s qu e r equ ier en m a yor fu er za por ejem plo leva n t a r com pu er t a s,
mover grúas, elevadores, etc. Ej. pistones hidráulicos.
P ROCE SO : E st a r efer ido a l equ ipo qu e va a ser a u t om a t iza do, por ejem plo
pu ede ser u n a bom ba , t olva , t a n qu e, com pr esor , m olin o, in t er ca m bia dor de
calor, horno, secador, chancadora, caldera, etc.
Características dinámicas de las variables de proceso:
In er cia : P r opieda d de los cu er pos qu e les per m it e n o va r ia r su est a do
est a cion a r io sin la in t er ven ción de u n a fu er za ext r a ñ a ; por ejem plo
a lgu n os sist em a s de flu jo de flu idos en los cu a les la m a sa pu ede ser
acelerada.
Resistencia y Ca pa cida d : Se den om in a r esist en cia a a qu ella s pa r t es
con cu a lida des de r esist ir la t r a n sfer en cia de en er gía o m a sa , y se
den om in a ca pa cida d a a qu ella s pa r t es del pr oceso con t en den cia a
almacenar masa o energía.
At r a so de t r a n spor t e : E s el m ovim ien t o de m a sa s en t r e dos pu n t os qu e
ocasiona un tiempo muerto.
Respuesta de los procesos frente a una perturbación:
La s r espu est a s est á n ca si siem pr e ca r a ct er iza da s por dos con st a n t es:
u n a con st a n t e de t iem po ( ) y u n a ga n a n cia est á t ica . La ga n a n cia es la
amplifica ción o a t en u a ción de la per t u r ba ción en el in t er ior del pr oceso
y n o t ien e in t er fer en cia con la s ca r a ct er íst ica s de t iem po de r espu est a .
La con st a n t e de t iem po es la m edida n ecesa r ia pa r a a ju st a r u n a
per t u r ba ción en la en t r a da y pu ede ser expr esa da como = (resistencia) x
(capacidad).
SENSOR : E s u n elem en t o de m edición de pa r á m et r os o va r ia bles del pr oceso.
Los sen sor es pu eden ser u sa dos t a m bién com o in dica dor es, pa r a t r a n sfor m a r
la señal medida en señal eléctrica. Los sensores más comunes son los de nivel,
t em per a t u r a , pr esen cia , pr oxim ida d, flu jo, pr esión , en t r e ot r os. P u eden ser de
varios tipos :
Sen sor es de con t a ct o : Son a qu ellos qu e r ea liza n la m edida en con t a ct o
directo, real y físico con el producto o materia. Ej. sensores de boya para
medir nivel en un tanque, termocupla para medir temperatura, etc.
Sen sor es de n o con t a ct o : Se ba sa n en pr opieda des física s de los
m a t er ia les, son m á s exa ct os, per o pr open sos a in t er fer en cia s del m edio
ambiente. Ej. sensores ultrasónicos, sensores ópticos, etc.
44
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Sen sor es digit a les : Tr a ba ja n con señ a les digit a les, en código bin a r io,
pu eden r epr esen t a r la codifica ción de u n a señ a l a n a lógica , o t a m bién la
representación de dos estados on/off. Ej. sensores tipo switch.
Sen sor es a n a lógicos : P r opor cion a n m edida s con t in u a s, los r a n gos
t ípicos son de 0 a 20m A, 4 a 20m A, 0 a 5v, 1 a 5v, en t r e ot r os. E j.
sensores capacitivos, sensores piezoresistivos, etc.
Sen sor es m ecá n icos : Son a qu ellos qu e t r a du cen la a cción física del
elem en t o m edido, en u n com por t a m ien t o m ecá n ico, t ípica m en t e de
movimiento y/o calor. Ej. barómetro, termómetro de mercurio, etc.
Sen sor es elect r o-m ecá n icos : E st e t ipo de sen sor em plea u n elem en t o
m ecá n ico elá st ico com bin a do con u n t r a n sdu ct or eléct r ico. E j. sen sor es
resistivos, sensores magnéticos, etc.
3. CARACTERÍSTICAS DEL CONTROL
3.1. MODELAMIENTO MATEMATICO
E xist e for m a s y m ét odos a t r a vés de los cu a les los sist em a s de con t r ol
pu eden ser r epr esen t a dos por m edio de fu n cion es m a t em á t ica s, est a
r epr esen t a ción r ecibe el n om br e de Modela m ien t o Ma temático, est e m odelo
descr ibir á la s ca r a ct er íst ica s din á m ica s del sist em a a t r a vés de ecu a cion es
diferenciales. El modelamiento puede ser:
An a lít ico : Cu a n do se a plica la s leyes física s cor r espon dien t es a ca da
com pon en t e del sist em a , qu e en con ju n t o for m a n u n a est r u ct u r a o
función matemática.
E xper im en t a l : Con sist e en la iden t ifica ción de los pa r á m et r os,
m edia n t e el a n á lisis de da t os de en t r a da y sa lida , est im a n do va lor es
posibles que se ajusten al sistema
A pa r t ir del m odela m ien t o m a t em á t ico, a plica n do for m u la s
m a t em á t ica s, t eor em a s, y t r a n sfor m a da s, se pu ede llega r a u n a fu n ción qu e
r epr esen t e la r ela ción en t r e la sa lida y en t r a da del sist em a , est a fu n ción se
denomina Función de Transferencia.
E l pr oceso exper im en t a l es den om in a do Iden t ifica ción de Sist em a s , y
cor r espon de a la pla n t a o pr oceso qu e se desea a n a liza r , con sist e en r ecoger
da t os de la va r ia ble de sa lida con su cor r espon dien t e da t o de en t r a da qu e
pr ovocó dich a sa lida , pa r a lu ego m edia n t e a lgor it m os m a t em á t icos a pr oxim a r
u n a fu n ción de t r a n sfer en cia , la cu a l debe gen er a l u n a sa lida (est im a da )
similar a la salida sensada, y dependiendo de la diferencia entre ambas (error)
se da r á va lidez a la fu n ción obt en ida , o se t en dr á qu e r eca lcu la r con n u evos
valores en los algoritmos matemáticos de análisis.
45
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
3.2. ANALISIS DE UN SISTEMA
E l a n á lisis de u n sist em a qu e se desea con t r ola r , sign ifica a n a liza r su
com por t a m ien t o din á m ico en el t iem po, pa r t ien do de su s ca r a ct er íst ica s
m a t em á t ica s se pu ede llega r a con clu sion es r espect o a l fu n cion a m ien t o del
sist em a , t a n t o a isla do com o den t r o de u n la zo cer r a do, a fect a do por r u ido y
gobernado por un controlador.
P a r a a n a liza r u n sist em a de con t r ol es n ecesa r io con ocer su s sigu ien t es
características:
E STABILIDAD: Se dice qu e u n sist em a es est a ble cu a n do despu és de
t r a n scu r r ido u n t iem po t , su va lor de r espu est a (sa lida ) per m a n ece
con st a n t e. A est e t iem po se le den om in a t iem po de est a blecim ien t o (t im e
set t in g) , y a l va lor a lca n za do se le den om in a va lor en est a do est a ble
(st ea dy st a t e va lu e) .
EXACTITUD: La exa ct it u d del sist em a se m ide en ba se a la desvia ción
exist en t e en t r e el va lor desea do (r efer en cia ) y el va lor r ea l obt en ido en la
r espu est a del sist em a (va lor en est a do est a ble), a est a difer en cia se le
den om in a er r or en est a do est a ble .
VE LOCIDAD DE RE SP UE STA: E st a ca r a ct er íst ica in dica qu e t a n
r á pida m en t e es ca pa z de llega r el sist em a , a su va lor en est a do est a ble o
estacionario.
SE NSIBILIDAD: E st e con cept o explica la depen den cia de u n a s va r ia bles
con r espect o a ot r a s, pu est o qu e en u n sist em a h a br á a lgu n a s va r ia bles
m a n ipu la da s, ot r a s con t r ola da s, y ot r a s per t u r ba dor a s, es in evit a ble qu e
la a cción de u n a r eper cu t a sobr e la s ot r a s, por ello la n ecesida d de
con ocer e iden t ifica r ca da va r ia ble a fin de con ocer su n a t u r a leza a n t es
mencionada.
ALCANZABILIDAD: Cu a n do u n sist em a cu en t a con est a ca r a ct er íst ica ,
en t on ces m edia n t e u n con t r ola dor se pu ede lleva r est e sist em a desde u n
estado inicial hasta otro estado cualquiera, en un tiempo finito
CONTROLABILIDAD: Un sist em a es con t r ola ble cu a n do es posible
lleva r a l sist em a a u n a posición de equ ilibr io, a l a plica r le u n a en t r a da y
transcurrido un período de tiempo finito.
OBSE RVABILIDAD: Se dice qu e u n sist em a es de r a n go com pleto
obser va ble, si m edia n t e la obser va ción de la sa lida y es posible
determinar cualquier estado x(t), en un tiempo finito.
46
Henry Antonio Mendiburu Díaz
3.3. CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS
La s ca r a ct er íst ica s din á m ica s de u n a pla n t a est á n da da s por el
com por t a m ien t o qu e est a pr esen t a a n t e u n a en t r a da (esca lón , sen oida l,
r a m pa , on da cu a dr a da , seu do a lea t or io, et c.). Cu a n do la s en t r a da s n o son fija s
sin o qu e va r ía n en el t iem po, en t on ces t a m bién la r espu est a del sist em a
tendrá que variar en el tiempo.
E xist en diver sa s t écn ica s pa r a a n a liza r y ca r a ct er iza r el
com por t a m ien t o din á m ico de u n a pla n t a , los m ét odos m á s con ocidos son los
siguientes:
Ecuaciones diferenciales
Análisis de respuesta en frecuencia
Caracterización frente a entradas típicas
Variables de estado
Ubicación geométrica de polos y ceros
Mu ch os sist em a s pr esen t a n u n r et a r do o t iem po m u er t o, defin ido
com o el la pso de t iem po en qu e el sist em a sien do som et ido a u n a en t r a da , n o
ofr ece n in gu n a sa lida . P or t a n t o se con sider a qu e a cier t os sist em a s les t om a
cierto tiempo responder a los estímulos.
Los r et a r dos son pr opios de pr ocesos len t os com o: pr ocesos de
t r a n spor t e, de t em per a t u r a , et c., y t a m bién se pr esen t a
en sist em a s
controlados a distancia.
4. METODOS DE CONTROL
4.1. MÉTODOS DE CONTROL CLÁSICO
Los m ét odos de con t r ol clá sico son a qu ellos qu e esper a n a qu e se
pr odu zca u n er r or pa r a lu ego r ea liza r u n a a cción cor r ect iva . Los m ét odos de
control clásico pueden ser:
CONTROL ON-OFF: E st e m ét odo solo a cept a dos posicion es pa r a el
a ct u a dor : en cen dido (100%) y a pa ga do (0%). La lógica de
fu n cion a m ien t o es t en er u n pu n t o de r efer en cia , si la va r ia ble es
mayor el a ct u a dor a su m e u n a posición , y si la va r ia ble es m en or el
actuador asume la otra posición.
CONTROLADOR PROPORCIONAL (P) : E s u n con t r ol qu e se ba sa en
la ga n a n cia a plica da a l sist em a , se ba sa en el pr in cipio de qu e la
r espu est a del con t r ola dor deber ser pr opor cion a l a la m a gn it u d del
error. No corrige ni elimina perturbaciones, puede atenuar o aumentar
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
la señ a l de er r or . Se r epr esen t a a t r a vés del pa r á m et r o Kp y defin e la
fuerza o potencia con que el controlador reacciona frente a un error.
CONTROLADOR INTE GRAL (I) : Con ocido con o RESET. E st e t ipo de
con t r ola dor a n u la er r or es y cor r ige per t u r ba cion es, m edia n t e la
bú squ eda de la señ a l de r efer en cia , n ecesit a de u n t iem po Ti para
loca liza r dich a señ a l. Se r epr esen t a m edia n t e el t ér m in o Ki qu e es el
coeficiente de acción integral y es igual a 1/Ti
CONTROLADOR DE RIVATIVO (D) : Con ocido com o RATE. E st e
con t r ola dor por sí solo n o es u t iliza do, n ecesit a est a r ju n t o a l
pr opor cion a l y a l in t egr a l. Sir ve pa r a da r le r a pidez o a celer a ción a la
a cción de con t r ol. Necesit a de u n a difer en cia l de t iem po Td para
a lca n za r la señ a l de r efer en cia , se r epr esen t a m edia n t e el t ér m in o Kd
que es el coeficiente de acción derivativa y es igual a 1/Td.
CONTROLADOR PROPORCIONAL-INTEGRAL (PI) : Actúa en forma
r á pida , t ien e u n a ga n a n cia y cor r ige el er r or , n o exper im en t a u n offset
en estado estacionario.
Función de Transferencia : Kp
1
sTi
CONTROLADOR P ROP ORCIONAL-DE RIVATIVO (P D) : E s est a ble,
y reduce los retardos, es decir es más rápido.
Función de Transferencia :
Kp sTd
CONTROLADOR PROPORCIONAL INTEGRAL
DERIVATIVO
(P ID) : E st e con t r ola dor es el m á s com plet o y com plejo, t ien e u n a
r espu est a m á s r á pida y est a ble siem pr e qu e est e bien sin t on iza do.
Resumiendo se puede decir que:
El control proporcional actúa sobre el tamaño del error.
El control integral rige el tiempo para corregir el error
El control derivativo le brinda la rapidez a la actuación.
Función de Transferencia :
Kp
1
sTi
sTd
4.2. MÉTODOS DE CONTROL MODERNO
Los m ét odos de con t r ol m oder n o br in da n n u eva s t écn ica s qu e per m it en ya sea
compensar el error y/o eliminarlo, los más comunes son las siguientes:
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
CONTROL ANTICIP ATORIO (F eedfor wa r d) : E st e m ét odo per m it e a l
controlador a n a liza r los da t os de en t r a da y de sa lida y m edia n t e
a lgor it m os m a t em á t icos ca lcu la r á la pr óxim a sa lida pr oba ble, de m odo
t a l qu e a u t o a ju st a su s pa r á m et r os con la fin a lida d de a decu a r se a l
ca m bio, y m in im iza r la difer en cia de m edida s. Se r ecom ien da pa r a
pr ocesos len t os. Su desven t a ja r a dica en qu e es n ecesa r io m edir t oda s
la s va r ia bles per t u r ba dor a s, ya qu e n o cor r ige la s per t u r ba cion es n o
medidas. Se pu ede m ejor a r est e m ét odo a gr ega n do u n a
r et r oa lim en t a ción a la sa lida , de m odo t a l qu e se deje qu e se pr odu zca
u n er r or m ín im o, el cu a l ser á det ect a do y cor r egido en la sigu ien t e
medición.
COMP E NSADORE S ADE LANTO
ATRASO: E st e m ét odo per m ite
r ea liza r u n con t r ol en el dom in io de la fr ecu en cia , en el cu a l se bu sca
com pen sa r la fa se del sist em a , a gr ega n do (a dela n t o) o qu it a n do
(a t r a so) fa se, pa r a lo cu a l se a gr ega n u evos com pon en t es o n u eva s
fu n cion es m a t em á t ica s a l sist em a . Se pu ede pon er cu a n t os
com pen sa dor es sea n ecesa r io a fin de lleva r la r espu est a del sist em a a
un valor deseado.
Compensador en Adelanto:
Gadelanto
1
T s
1 T s
Compensador en Atraso:
Gadelanto
1 1
*
T s
1 T s
Donde:
con dicion a la fa se má xima , Seno (fase) = ( 1)/( +1)
T indica la frecuencia de trabajo, Frec. central = 1/(T* 1/2)
REALIMENTACIÓN DE ESTADOS : Este método permite ejercer una
a cción de con t r ol m edia n t e el sen sa do de ca da u n o de los est a dos (del
m odelo en espa cio est a do del sist em a ), a t r ibu yén dole u n a ga n a n cia a
ca da u n o de los va lor es leídos, de est e m odo el la zo de con t r ol es
cer r a do por m edio del com pen sa dor o con t r ola dor de est a dos y n o por
el sen sor . La Ley de con t r ol est a da da por la expr esión u
K X,
don de: u es la señ a l de con t r ol, K es el vect or de ga n a n cia de
est a dos, y X es el vect or de est a dos m edidos del sist em a .
E l vect or K pu ede h a lla r se fá cilm en t e u sa n do Ma t la b, con el comando
acker y también con el comando place.
SISTE MAS DE SE GUIMIE NTO : E st e m ét odo t a m bién es con ocido
com o t r a ckin g, es u n com plem en t o del m ét odo a n t er ior , pu est o qu e
m edia n t e el con t r ol por r ea lim en t a ción de est a dos se pu ede lleva r la
va r ia ble con t r ola da a u n va lor de cer o (por qu e n o se cu en t a con u n a
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
r efer en cia ), con est e m ét odo se podr á lleva r a la va r ia ble da da a u n
va lor desea do, pu est o qu e se in cor por a u n a r efer en cia en el sist em a .
La señ a l de con t r ol est a r á da da por : u
K X K i * ref . Don de
K i es la ga n a n cia cor r espon dien t e a l est a do o est a dos qu e se qu ier e
segu ir , y r ef es la r efer en cia o set poin t qu e se desea a lca n za r .
F E E DBACK LINE ALIZATION: Debido a qu e los pr ocesos r ea les n o
cu en t a n con m odelos lin ea les qu e los r epr esen t a n , es n ecesa r io el u so
de con t r ola dor es n o lin ea les. E st e m ét odo es con ocido com o con t r ol con
m odelo de r efer en cia , u t iliza la Teor ía de Lya pu n ov pa r a det er m in a r
la est a bilida d del sist em a , y el m odelo m a t em á t ico est a da do en la
forma espacio estado.
4.3. MÉTODOS DE CONTROL AVANZADO
Los m ét odos de con t r ol avanzado son a qu ellos qu e a ct ú a n en for m a
pr even t iva , de m odo t a l qu e en ba se a los da t os t om a dos, a ct ú a n de m odo t a l
qu e pr evien en la ocu r r en cia de er r or , por t a n t o el con t r ola dor est á a ju st a n do
sus parámetros constantemente.
CONTROL ADAP TATIVO : E s u n a va r ia n t e del con t r ol a n t icipa t or io,
en don de la r espu est a del con t r ola dor va r ía a u t om á t ica m en t e ba sa do
en los ca m bios de la s con dicion es den t r o del pr oceso, es decir , la
r espu est a
del con t r ola dor
ser á
va r ia ble depen dien do del
com por t a m ien t o a ct u a l del pr oceso. P a r a qu e se lleve a ca bo est a
a da pt a ción se r equ ier e de a lgor it m os m a t em á t icos qu e sim u len el
pr oceso en ba se a los da t os t om a dos en el in st a n t e m ism o en qu e se
r ea liza la a cción , est e r esu lt a do va a gen er a r u n a señ a l com pen sa dor a
que garantizará la confiabilidad del sistema.
CONTROL OP TIMAL: E l con t r ol opt im a l bu sca la per for m a n ce en la
acción de control, tiene por objetivo buscar una o varias soluciones que
cumplan con ciertas restricciones impuestas por el problema y que a la
vez cu m pla con u n a fu n ción objet ivo (fu n ción de cost o), la cu a l pu ede
ser m a xim iza r o m in im iza r dich a fu n ción . E l con t r ol per m it e diver sa s
solu cion es pa r a u n m ism o pr oblem a , per o el con t r ol opt im a l bu sca
den t r o de esa s solu cion es la m á s a decu a da pa r a cu m plir con los
requisitos planteados.
CONTROL ROBUSTO : E l con t r ol r obu st o es a qu el qu e va a per m it ir
m a n t en er la a cción de con t r ol pese a per t u r ba cion es ext er n a s e
in t er n a s. P u ede exist ir per t u r ba cion es ext er n a s com o r u ido y
vibracion es pr opia s del pr oceso; o per t u r ba cion es in t er n a s com o u n
m a l m odela m ien t o m a t em á t ico, sist em a s n o lin ea les difíciles de
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
lin ea liza r , in cer t idu m br e en el a ccion a r o r espu est a de la pla n a fr en t e
a est ím u los, en t r e ot r os. E l con t r ol r obu st o se r esu m e a iden t ifica r y
con t r ola r la in cer t idu m br e en los pa r á m et r os y en el com por t a m ien t o
de una planta.
CONTROL E N TIE MP O RE AL : Se r efier e a l con t r ol r ea liza do en u n
in t er va lo de t iem po fin it o y con st a n t e, es decir qu e la in for m a ción ser á
sen sa da con m u est r a s in t er m it en t es per o t oda s la s veces con u n
mismo tiempo de muestreo.
Características:
Pueden realizar varias actividades en paralelo
P ueden ejecutar tareas en respuesta a señales externas
Deben fu n cion a r en pr esen cia de fa llos o a ver ía s parciales,
haciendo uso de elementos redundantes.
Adqu ier en da t os del ext er ior . P u ede ser pa siva cu a n do
u t iliza n in t er r u pcion es, o a ct iva m edia n t e el u so de t a r jet a s
de entrada / salida de señales.
Necesit a n de u n sist em a oper a t ivo qu e les br in de: gest ión
eficien t e de in t er r u pcion es, pla n ifica ción de t a r ea s y
pr ior iza ción de la s m ism a s, a cceso a pu er t os e in t er fa ces,
m eca n ism os de m edición del t iem po, en t r e ot r os. E l sist em a
operativo más empleado es el Linux.
CONTROL DIF USO : Se ba sa en la lógica difu sa , la cu a l a difer en cia
de la lógica bin a r ia o boolea n a (ver da der o / fa lso ó 1 / 0), a sign a
va lor es in t er m edios den t r o de est a esca la . Ut iliza la exper ien cia del
operador para generar una lógica de razonamiento para el controlador.
No r equ ier e del m odela m ien t o m a t em á t ico de la pla n t a , pu ede
representar modelos de sistemas lineales y no lineales mediante el uso
de va r ia bles lin gü íst ica s y u n a ser ie de con dicion es o r egla s
pr evia m en t e defin ida s. Su s a lgor it m os (r egla s) h a cen u so de
in st r u ccion es IF TH E N.
CONTROL NE URONAL : H a ce u so de n eu r on a s de in t eligen cia
a r t ificia l. La n eu r on a a r t ificia l est á n da r es u n elem en t o de
pr ocesa m ien t o qu e ca lcu la u n a sa lida m u lt iplica n do su vect or de
en t r a da s por u n vect or de pesos y est e r esu lt a do es a plica do a u n a
fu n ción de a ct iva ción ; u n con ju n t o de n eu r on a s con for m a n u n a r ed
neuronal. Se ca r a ct er iza n por su ca pa cida d de a pr en diza je, su
velocidad mediante el procesamiento masivo en paralelo de datos y por
la fa cilida d de m odela do de sist em a s y con t r ola dor es n o lin ea les. Se
a plica n pa r a la r epr esen tación de com por t a m ien t os de fu n cion es
lin ea les y n o lin ea les, iden t ifica ción de sist em a s, r econ ocim ien t o de
formas, reconstrucción de datos, simulación de modelos, etc.
51
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
ALGORITMOS GE NÉ TICOS: E st e m ét odo sim u la la evolu ción
n a t u r a l de la s especies de Da r win . La in for m a ción va su fr ien do
ca m bios igu a l qu e lo h a r ía n la s especies, lo cu a l se lleva a ca bo por
m edio de los pr ocesos de selección n a t u r a l, m ezcla , y m u t a ción . E n
cada ciclo (iteración) una parte del conjunto de hipótesis conocido como
pobla ción a ct u a l , es r eem pla za do por u n a n u eva pobla ción m edia n t e
la s fu n cion es evolu t iva s a n t er ior es. Así su cesiva m en t e en ca da ciclo la
pobla ción es eva lu a da en ba se a u n a fu n ción evolu t iva , sien do
con ser va dos los da t os m á s exa ct os, y sien do elim in a dos los da t os que
pr esen t a n er r or (selección n a t u r a l). P a r a con ser va r el n ú m er o de
in dividu os (da t os) est os son m ezcla dos, lo cu a l gen er a n u evos
in dividu os sim ila r es a su s pr ocr ea dor es. F in a lm en t e ca da cier to
t iem po o da da cier t a ca n t ida d de in dividu os, a lgu n os de los n u evos
in dividu os son m u t a dos a lea t or ia m en t e, pu dien do ser con ser va dos o
eliminados en la próxima iteración dependiendo de su utilidad.
SISTE MAS E XP E RTOS: E st os sist em a s t r a t a n de em u la r la
exper ien cia a dqu ir ida por u n o o m á s ser es h u m a n os a lo la r go del
t iem po pa r a r ea liza r u n t r a ba jo. E st e sist em a t en dr á en su m em or ia
u n a ba se de da t os con m ú lt iples solu cion es a u n m ism o pr oblem a ,
lu ego el sist em a t en dr á qu e escoger de en t r e esa s solu cion es a la qu e
pu eda a plica r se a fin de logr a r los m ejor es r esu lt a dos. E l sist em a se
cr ea ba sá n dose en la s exper ien cia s h u m a n a s, la elección de la
est r u ct u r a de con t r ol depen der á de la s ca r a ct er íst ica s del t r a ba jo en
don de se a plica r á , a dem á s el sist em a podr á ir a pr en dien do con el
t iem po y a lm a cen a r su s pr opia s exper ien cia s, exist e m u ch a a n a logía
entre los sistemas expertos y los sistemas neuro-fuzzy.
4.4. CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC)
Un P LC es u n disposit ivo elect r ón ico de fu n cion a m ien t o digit a l ba sa do en u n
m icr opr ocesa dor , qu e u t iliza u n a m em or ia pa r a el a lm a cen a m ien t o de la s
in st r u ccion es de pr ogr a m a em plea do pa r a el con t r ol a u t om á t ico de m a qu in a s
y pr ocesos, m edia n t e la im plem en t a ción de fu n cion es especifica s t a les com o
oper a cion es lógica s, a r it m ét ica s, t em por iza cion es, cu en t a s y secu en cia s, a
través de módulos de entrada y salida de tipo analógico / digital.
Los P LC se a plica n en : in st a la cion es de a ir e a con dicion a do, ca lefa cción ,
almacenamiento y trasvase de cereales, cerámica, frió industrial, maquinado y
retiro de virutas, plantas depuradoras de residuos, embotelladoras, seguridad,
t r a t a m ien t os t ér m icos, in st a la cion es eléct r ica s y de com a n do, in du st r ia de
a u t om oción , m a qu in a r ia de en sa m bla je, m a qu in a r ia en pr ocesos t ext iles y de
con fección , m a qu in a r ia s en la in du st r ia del plá st ico, m a qu in a r ia en pr ocesos
de grava, arena y cemento, maquinaria industrial del mueble y madera, etc.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
P u eden poseer u n a in t er fa se h om br e-m a qu in a (IH M) pa r a la pr ogr a m a ción , o
sino su pr ogr a m a ción se r ea liza u t iliza n do la u n ida d de pr ogr a m a ción o u n a
t er m in a l de pr ogr a m a ción in depen dien t e, sin em ba r go a ct u a lm en t e exist en
P LCs cu ya m odu la r ida d per m it e in st a la r m ódu los especia liza dos qu e a ct ú a n
en algunos casos como IHM.
P a r a pr ogr a m a r el P LC se con m u t a a l m odo de pr ogr a m a ción y cu a n do se
cu lm in e dich o pr ocedim ien t o, el u su a r io con m u t a m a n u a lm en t e a l m odo
ejecución a fin de que la CPU ejecute el programa en forma repetitiva.
E xist en P LC com pa ct os qu e r eú n en en u n a sola u n ida d, la fu en t e de poder , la
CP U, la m em or ia y la s in t er fa ces I/O. E st a ver sión r epr esen t a gr a n des
ven t a ja s en lo qu e se r efier e a cost os m á s a ccesibles, u t iliza ción de espa cios
r edu cidos, su selección se h a ce m á s fá cil, r espon de con a lt o desem peñ o en
con dicion es h ost iles del a m bien t e de t r a ba jo, pu eden ser pr ogr a m a dos
mediante paquetes de software desde una computadora.
La ca pa cida d de expa n sión de los P LCs per m it en u sa r se en r edes de
t r a n sfer en cia de da t os sem eja n t es a l u sa do por la s m icr o o m in i
com pu t a dor a s, est a s r edes son u sa da s pa r a coleccion a r da t os desde ca da
m a qu in a y gen er a r r epor t es de est a do de pr odu cción y per for m a n ce pa r a su
manejo. E st a s r edes pr oveen com u n ica ción en t r e ca da P LC pa r a el con t r ol de
secuencia y sincronización de la planta.
Su h ist or ia se r em on t a a fin a les de la déca da de 1960, cu a n do la in du st r ia
bu scó en la s n u eva s t ecn ología s elect r ón ica s u n a solu ción m á s eficien t e pa r a
r eem pla za r los sist em a s de con t r ol ba sa dos en cir cu it os eléct r icos con r elés,
in t er r u pt or es y ot r os com pon en t es com ú n m en t e u t iliza dos pa r a el con t r ol de
los sistemas de lógica combinacional.
E xist en va r ios len gu a jes de pr ogr a m a ción , t r a dicion a lm en t e los m á s
u t iliza dos son el dia gr a m a de esca ler a , list a de in st r u ccion es y pr ogr a m a ción
por est a dos, a u n qu e se h a n in cor por a do len gu a jes m á s in t u it ivos qu e
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
per m it en im plem en t a r a lgor it m os com plejos m edia n t e sim ples dia gr a m a s de
flujo más fáciles de interpretar y mantener.
E n la pr ogr a m a ción se pu eden in clu ir difer en t es t ipos de oper a n dos, desde los
m á s sim ples com o lógica boolea n a , con t a dor es, t em por iza dor es, con t a ct os,
bobin a s y oper a dor es m a t em á t icos, h a st a oper a cion es m á s com pleja s com o
m a n ejo de t a bla s (r ecet a s), a pu n t a dor es, a lgor it m os P ID y fu n cion es de
com u n ica ción m u t ipr ot ocolos qu e le per m it ir ía n in t er con ect a r se con ot r os
dispositivos.
Componentes principales:
Fuente de Poder
Con vier t e la en er gía eléct r ica dispon ible (de t ipo AC en m u ch os ca sos)
a n iveles de t en sión con t in u a n ecesa r ios pa r a la oper a ción de los
circuitos del procesador y las secciones de entrada y salida.
Procesador
E s el cer ebr o del sist em a , r ea liza la t om a de decision es y la
transferencia de la in for m a ción . E n el pr ocesa dor se dist in gu en t r es
bloqu es pr in cipa les com o son la CP U, la m em or ia y la in t er fa z de
comunicaciones.
Bloque de entradas
Rea liza la in t er fa se en t r e el pr ocesa dor y los disposit ivos con ect a dos
como entrada, adapta las señales provenientes de los sensores.
Bloque de salidas
Rea liza la in t er fa se en t r e el pr ocesa dor y los disposit ivos con ect a dos
como salida, proporcionando señales a los actuadores.
Interfaz de Comunicaciones
E s u n com pon en t e con ver sor de pr ot ocolos qu e per m it e la
com u n ica ción del P LC con u n a P C, con ot r os P LCs, o con ot r os
dispositivos de campo.
Software de programación
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
E l soft wa r e de desa r r ollo de a lgor it m os es pr opio de ca da fa br ica n t e,
generalmente se basa en un diagrama escalera (ladder).
5. ESTRATEGIAS DE CONTROL
CONTROL E N CASCADA (Ca sca de) : Con sist e en in clu ir u n o o m á s
la zos de con t r ol in t er n o den t r o de ot r o ext er n o, con el objet ivo de
a n u la r per t u r ba cion es, im pidien do qu e est a s per t u r ba cion es
secu n da r ia s a fect en a l sist em a pr in cipa l. Bá sica m en t e el con t r ola dor
ext er n o se en ca r ga de la va r ia ble pr in cipa l, m ien t r a s qu e los
con t r ola dor es in t er n os se en ca r ga n de la s per t u r ba cion es m á s
frecuentes. Ventaja: La s per t u r ba cion es m á s fr ecu en t es son cor r egida s
antes de afectar a la variable principal.
CONTROL DE RE LACIÓN (Ra t io) : Con sist e en a n a liza r y m a n t en er
u n a pr opor cion a lida d en t r e dos o m á s elem en t os (a ct u a dor es) den t ro
de un proceso continuo. Por ejemplo se usa comúnmente cuando tienen
qu e in gr esa r dos líqu idos a u n t a n qu e, y don de la ca n t ida d del pr im er
líquido debe ser el doble que la del segundo, además los líquidos deben
en t r a r con st a n t em en t e a l t a n qu e. Si se a plica con t r ol por r ela ción , se
h a r á u so de dos sen sor es de flu jo, u n con t r ola dor , u n a ct u a dor , y u n
con t r ol de r ela ción , lo qu e sign ifica u n a h or r o de in st r u m en t os y u n
sistema más sencillo de supervisar y reparar.
CONTROL DE RANGO DIVIDIDO (Split r a n ge) : E s a plica do a
sist em a s con u n a sola va r ia ble con t r ola da y dos o m á s va r ia bles
m a n ipu la da s, la s cu a les a fect a n de igu a l for m a a la variable
con t r ola da . Requ ier e com pa r t ir la señ a l de sa lida del con t r ola dor con
varios elementos actuadores.
CONTROL SE LE CTIVO (Over r ide) : Con sist e en ejer cer con t r ol sobr e
dos va r ia bles de u n pr oceso, r ela cion a s en t r e sí de t a l m odo qu e u n a u
ot r a pu eda ser con t r ola da por la m ism a va r ia ble m a n ipu la da . La
a cción de con t r ol se logr a con ect a n do la sa lida de los con t r ola dor es a
u n swit ch select or . E s a plica do en segu r ida d y pr ot ección de equ ipos y
motores.
CONTROL INF E RE NCIAL : Con sist e en efect u a r la m edición de la
va r ia ble con t r ola da a t r a vés de ot r a va r ia ble r ela cion a da , con sider a da
va r ia ble secu n da r ia (per o depen dien t e de la pr in cipa l). Los
com pon en t es de est e sist em a son los m ism os qu e los de u n sist em a de
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
con t r ol r ea lim en t a do m á s u n a u n ida d de com pu t o lla m a da est im a dor .
Se a plica a pr ocesos don de la obt en ción de in for m a ción o la m edición
n o se pu ede lleva r a ca bo por m ot ivos de qu e n o exist e u n elem en t o
m edidor pa r a ese t ipo de pa r á m et r os, o si exist e es dem a sia do ca r o, o
t a m bién por qu e n o se pu ede m edir con st a n t em en t e el pa r á m et r o. P or
ejem plo t en em os la m edición del con t en ido de h u m eda d en sólidos en
operaciones de secado.
COMP E NSACION DE TIE MP O MUE RTO: E l t iem po m u er t o es el
in t er va lo de t iem po de r espu est a desde qu e se in gr esa u n a señ a l de
entrada a u n sist em a , y el com ien zo de u n a señ a l de r espu est a por la
sa lida del sist em a . E l t iem po m u er t o pr esen t a la pr in cipa l dificu lt a d
en los diseñ os de sist em a s de con t r ol est a ble. Com o u n a r egla pr á ctica
puede a dopt a r se la sigu ien t e r egla : si el t iem po m u erto de u n pr oceso
es m a yor qu e 1.5 veces su con st a n t e de t iem po ( ), se r equ ier e
com pen sa dor de t iem po m u er t o. Don de ( ), es el t iem po n ecesa r io pa r a
qu e u n pr oceso de pr im er or den a lca n ce u n a r espu est a igu a l a l 63.2%
de su respuesta final, cuando se le somete a un estímulo escalón.
6. SISTEMAS SCADA
Los sist em a s SCADA (Supervisor y Con t r ol a n d Da t a Adqu isit ion ) son
a plica cion es de soft wa r e, diseñ a da s con la fin a lida d de con t r ola r y su per visa r
pr ocesos a dist a n cia . Se ba sa n en la a dqu isición de da t os de los pr ocesos
remotos.
E st os sist em a s a ct ú a n sobr e los disposit ivos in st a la dos en la pla n t a ,
com o son los con t r ola dor es, a u t óm a t a s, sen sor es, a ct u a dor es, r egist r a dor es,
et c. Adem á s per m it en con t r ola r el pr oceso desde u n a est a ción r em ot a , pa r a
ello el soft wa r e br in da u n a in t er fa z gr á fica qu e m u est r a el com por t a m ien t o
del proceso en tiempo real.
Los sist em a s SCADA n ecesit a n com u n ica r se vía r ed, pu er t os GP IB,
t elefón ica o sa t élit e, es n ecesa r io con t a r con com pu t a dor a s r em ot a s qu e
r ea licen el en vió de da t os h a cia u n a com pu t a dor a cen t r a l, est a a su vez ser á
parte de un centro de control y gestión de información.
Para realizar el intercambio de datos entre los dispositivos de campo y
la estación central de control y gestión, se requiere un medio de comunicación,
exist en diver sos m edios qu e pu eden ser ca blea dos (ca ble coa xia l, fibr a ópt ica ,
ca ble t elefón ico) o n o ca blea dos (m icr oon da s, on da s de r a dio, com u n ica ción
satelital).
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Funciones y características principales
Supervisión remota de instalaciones y equipos
Control remoto de instalaciones y equipos
Procesamiento de datos e información
Visu a liza ción gr á fica din á m ica qu e r epr esen t en el com por t a m ien t o del
proceso
P er m it e gen er a r in for m es con da t os est a díst icos del pr oceso en u n
tiempo determinado por el operador.
Representación y/o visualización se señales de alarma
Almacenamiento de información histórica
P er m it e pr ogr a m a r su bpr ogr a m a s qu e br in den a u t om á t ica m en t e
r epor t es, est a díst ica s, gr á fica de cu r va s, a ct iva ción de t a r ea s
automáticas, etc.
6.1. ELEMENTOS DEL SISTEMA
Un sistema SCADA esta conformado por:
In t er fa z Oper a dor
Má qu in a s: E s el en t or n o visu a l qu e br in da el
sist em a pa r a qu e el oper a dor se a da pt e a l pr oceso desa r r olla do por la
pla n t a . P er m it e la in t er a cción del ser h u m a n o con los m edios
tecnológicos implementados.
Un ida d Cen t r a l (MTU): Con ocido com o Un ida d Ma est r a . E jecu t a la s
a ccion es de m a n do (pr ogr a m a da s) en ba se a los va lor es a ct u a les de la s
va r ia bles m edida s. La pr ogr a m a ción se r ea liza por m edio de bloqu es de
pr ogr a m a en len gu a je de a lt o n ivel (com o C, Ba sic, et c.). Ta m bién se
en ca r ga del a lm a cen a m ien t o y pr ocesa do or den a do de los da t os, de
forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.
Un ida d Rem ot a (RTU): Lo con st it u ye t odo elem en t o qu e en vía a lgún
t ipo de in for m a ción a la u n ida d cen t r a l. E s pa r t e del pr oceso pr odu ct ivo
y necesariamente se encuentra ubicada en la planta.
Sist em a de Com u n ica cion es: Se en ca r ga de la t r a n sfer en cia de
in for m a ción del pu n t o don de se r ea liza n la s oper a cion es, h a st a el pu n t o
donde se supervisa y controla el proceso. Lo conforman los transmisores,
receptores y medios de comunicación.
Transductores: Son los elem en t os qu e per m it en la con ver sión de u n a
señ a l física en u n a señ a l eléct r ica (y vicever sa ). Su ca libr a ción es m u y
im por t a n t e pa r a qu e n o h a ya pr oblem a con la con fu sión de va lor es de
los datos.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Transductores: Son los elem en t os qu e per m it en la con ver sión de u n a
señ a l física en u n a señ a l eléct r ica (y vicever sa ). Su ca libr a ción es m u y
im por t a n t e pa r a qu e n o h a ya pr oblem a con la con fu sión de va lor es de
los datos.
Soft wa r e SCADA: P er m it en el m a n ejo de u n a in t er fa z gr á fica de
u su a r io a m iga ble, u tilizan dr iver s pa r a la gr a n diver sida d de equ ipos
existentes, per m it en u n m a n ejo de ba ses de da t os, u sa n t écn ica s de
programación orientada a objetos, etc.
P a r a la com u n ica ción deben exist ir t r es elem en t os n ecesa r ia m en t e: (1) u n
m edio de t r a n sm isión , sobr e el cu a l se en vía n los m en sa jes; (2) u n equ ipo
em isor qu e pu ede ser el MTU y (3) u n equ ipo r ecept or qu e se pu ede a socia r a
los RTU´s.
E n t elecom u n ica cion es, el MTU y el RTU son t a m bién lla m a dos E qu ipos
t er m in a les de da t os (DTE , Da t a Ter m in a l E qu ipm en t s). Ca da u n o de ellos
t ien e la h a bilida d de gen er a r u n a señ a l qu e con t ien e la in for m a ción a ser
en via da . Asim ism o, t ien en la h a bilida d pa r a descifr a r la señ a l r ecibida y
ext r a er la in for m a ción , per o ca r ecen de u n a in t er fa z con el m edio de
comunicación.
Los equ ipos con la s in t er fa ces pa r a el m edio de com u n ica ción (modems),
lla m a dos t a m bién E qu ipo de Com u n ica ción de Da t os (DCE , Da t a
Com m u n ica t ion E qu ipm en t ), son ca pa ces de r ecibir la in for m a ción de los
DTE ´s, h a cer los ca m bios n ecesa r ios en la for m a de la in for m a ción , y en via r la
por el m edio de com u n ica ción h a cia el ot r o DCE , el cu a l r ecibe la in for m a ción
y la vuelve a transformar para que pueda ser leído por el DTE.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
7. SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN
E n u n pr oceso pr odu ct ivo n o siem pr e se ju st ifica la im plem en t a ción de
sist em a s de a u t om a t iza ción , per o exist en cier t a s señ a les in dica dor a s qu e
ju st ifica n y h a cen n ecesa r io la im plem en t a ción de est os sist em a s, los
indicadores principales son los siguientes:
Requerimientos de un aumento en la producción
Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos
Necesidad de bajar los costos de producción
Escasez de energía
Encarecimiento de la materia prima
Necesidad de protección ambiental
Necesidad de brindar seguridad al personal
Desarrollo de nuevas tecnologías
La a u t om a t iza ción solo es via ble si a l eva lu a r los ben eficios econ óm icos y
socia les de la s m ejor a s qu e se podr ía n obt en er a l a u t om a t iza r , est a s son
mayores a los costos de operación y mantenimiento del sistema.
La a u t om a t iza ción de u n pr oceso fr en t e a l con t r ol m a n u a l del m ism o pr oceso,
br in da cier t a s ven t a ja s y ben eficios de or den econ óm ico, socia l, y t ecn ológico,
pudiéndose resaltar las siguientes:
Se a segu r a u n a m ejor a en la ca lida d del t r a ba jo del oper a dor y en
el desa r r ollo del pr oceso, est a depen der á de la eficien cia del
sistema implementado.
Se obt ien e u n a r edu cción de cost os, pu est o qu e se r a cion a liza el
trabajo, se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.
E xist e u n a r edu cción en los t iem pos de pr ocesa m ien t o de
información.
F lexibilida d pa r a a da pt a r se a n u evos pr odu ct os (fa br ica ción
flexible y multifabricación).
Se obt ien e u n con ocim ien t o m á s det a lla do del pr oceso, m edia n t e
la recopilación de información y datos estadísticos del proceso.
Se obt ien e u n m ejor con ocim ien t o del fu n cion a m ien t o y
per for m a n ce de los equ ipos y m á qu in a s qu e in t er vien en en el
proceso.
Factibilidad técnica en procesos y en operación de equipos.
Factibilida d pa r a la im plem en t a ción de fu n cion es de a n á lisis,
optimización y autodiagnóstico.
Au m en t o en el r en dim ien t o de los equ ipos y fa cilida d pa r a
incorporar nuevos equipos y sistemas de información.
Disminución de la contaminación y daño ambiental.
Racionalización y uso eficiente de la energía y la materia prima.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Au m en t o en la segu r ida d de la s in st a la cion es y la pr ot ección a los
trabajadores.
E xist en cier t os r equ isit os de su m a im por t a n cia qu e debe cu m plir se a l
a u t om a t iza r , de n o cu m plir se con est os se est a r ía a fect a n do la s ven t a ja s de la
a u t om a t iza ción , y por t a n t o n o se podr ía obt en er t odos los ben eficios qu e est a
brinda, estos requisitos son los siguientes:
Com pa t ibilida d elect r om a gn ét ica : Debe exist ir la ca pa cida d pa r a
oper a r en u n a m bien t e con r u ido elect r om a gn ét ico pr odu cido por
m ot or es y m á qu in a de r evolu ción . P a r a solu cion a r est e pr oblem a
gen er a lm en t e se h a ce u so de pozos a t ier r a pa r a los in st r u m en t os
(m en or a 5 ), est a biliza dor es fer r o-r eson a n t es pa r a la s lín ea s de
en er gía , en a lgu n os equ ipos u bica dos a dist a n cia s gr a n des del
t a bler o de a lim en t a ción (>40m ) se h a ce u so de celda s
apantalladas.
E xpa n sibilida d y esca la bilida d: E s u n a ca r a ct er íst ica del sist em a
qu e le per m it e cr ecer pa r a a t en der la s a m plia cion es fu t u r a s de la
pla n t a , o pa r a a t en der la s oper a cion es n o t om a da s en cu en t a a l
in icio de la a u t om a t iza ción . Se a n a liza ba jo el cr it er io de a n á lisis
costo-ben eficio, t ípica m en t e su ele deja r se u n a r eser va en
capacidad instalada ociosa alrededor de 10% a 25%.
Manutención: Se r efier e a t en er dispon ible por pa r t e del
pr oveedor , u n gr u po de per son a l t écn ico ca pa cit a do den t r o del
pa ís, qu e br in de el sopor t e t écn ico a decu a do cu a n do se n ecesit e de
m a n er a r á pida y con fia ble. Adem á s im plica qu e el pr oveedor
cuente con repuestos en caso sean necesarios.
Sistema a bier t o: Los sist em a s deben cu m plir los est á n da r es y
especifica cion es
in t er n a cion a les.
E st o
ga r a n t iza
la
in t er con ect ibilida d y com pa t ibilida d de los equ ipos a t r a vés de
interfaces y protocolos, también facilita la interoperabilidad de las
aplicaciones y el traslado de un lugar a otro.
7.1. ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN AUTOMATIZADA
MAQUINAS (PROCESO) : Son los equ ipos m ecá n icos qu e r ea liza n los
pr ocesos, t r a sla dos, t r a n sfor m a cion es, et c. de los pr odu ct os o m a t er ia
prima.
ACCIONADORE S : Son equ ipos a copla dos a la s m á qu in a s, y qu e
per m it en r ea liza r m ovim ien t os, ca len t a m ien t o, en sa m bla je, em ba la je.
Pueden ser:
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Accion a dor es eléct r icos: Usa n la en er gía eléct r ica , son por
ejem plo, elect r ová lvu la s, m ot or es, r esist en cia s, ca beza s de
soldadura, etc.
Accionador es n eu m á t icos: Usa n la en er gía del a ir e com pr im ido,
son por ejemplo, cilindros, válvulas, etc.
Accion a dor es h idr á u licos: Usa n la en er gía de la pr esión del a gu a ,
se usan para controlar velocidades lentas pero precisas.
P RE ACCIONADORE S : Se u sa n pa r a com a n da r y a ct iva r los
a ccion a dor es. P or ejem plo, con t a ct or es, swit ch s, va r ia dor es de
velocidad, distribuidores neumáticos, etc.
CAP TADORE S : Son los sen sor es y t r a n sm isor es, en ca r ga dos de ca pt a r
la s señ a les n ecesa r ia s pa r a con ocer el est a dos del pr oceso, y lu ego
enviarlas a la unidad de control.
INTE RF AZ H OMBRE -MÁQUINA : P er m it e la com u n ica ción en t r e el
oper a r io y el pr oceso, pu ede ser u n a in t er fa z gr á fica de com pu t a dor a ,
pulsadores, teclados, visualizadores, etc.
UNIDAD DE CONTROL : Son los elem en t os de cá lcu lo y con t r ol qu e
gobier n a n el pr oceso, se den om in a n a u t óm a t a , y con for m a n la u n ida d
de control.
COMUNICACIONE S: Con ju n t o de elem en t os qu e h a cen posible
t r a n sfer ir da t os de la u n ida d de con t r ol h a cia los elem en t os in st a la dos
en planta, y viceversa.
ACCIONADORES
PRE ACCIONADOR
UNIDAD
DE
CONTROL
PROCESO
CAPTADOR
INTERFAZ
Hombre - Máquina
COMUNICACIÓN
con unid. control
Los sist em a s a u t om a t iza dos se con for m a n de dos pa r t es: pa r t e de m a n do y
parte operativa.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
P ARTE DE MANDO : E s la est a ción cen t r a l de con t r ol o a u t óm a t a . E s
el elem en t o pr in cipa l del sist em a , en ca r ga do de la su per visión , m a n ejo,
corrección de errores, comunicación, etc.
P ARTE OP E RATIVA : E s la pa r t e qu e a ct ú a dir ect a m en t e sobr e la
m á qu in a , son los elem en t os qu e h a cen qu e la m á qu in a se m u eva y
r ea lice la s a ccion es. Son por ejem plo, los m ot or es, cilin dr os,
compresoras, bombas, relés, etc.
7.2. PROCESOS DE OPERACIÓN DEL SISTEMA
La a u t om a t iza ción de los pr ocesos in du st r ia les debe con t em pla r t odos los
posibles estados en que se pueden encontrar las máquinas y los equipos.
No siem pr e el sist em a va a fu n cion a r per fect a m en t e, se pr esen t a r á n ca sos de
fa lla s, qu e im pliqu en u n a pa r a da de em er gen cia del pr oceso y la
correspondiente puesta en marcha nuevamente.
Se debe con sider a r pr ior it a r io qu e el sist em a est e pr epa r a do pa r a a fr on t a r los
diversos procesos, para ello el programa del autómata deberá prever que hacer
fr en t e a posibles pr oblem a s, a fin de r edu cir el t iem po de pa r a da a l m á xim o y
permitir un proceso de re-arranque simple.
Los pr ocedim ien t os pu eden dividir se en pr ocedim ien t os de pa r a da y pu est a en
marcha, procedimientos de funcionamiento, y procedimientos de falla:
P ARADA Y P UE STA E N MARCH A: E st á r efer ido a los m odos de
fu n cion a m ien t o en don de el sist em a se en cu en t r a pa r a do, pa r a lu ego
ponerlo en marcha. Pueden ser:
62
Henry Antonio Mendiburu Díaz
P a r a da en el est a do in icia l: Cor r espon de a l est a do de r eposo
normal inicial.
P a r a da solicit a da a fin a l del ciclo: Con sist e en h a cer qu e u n a
m á qu in a deje de oper a r cu a n do ya h a fin a liza do su ciclo de
trabajo normal, la máquina pasa al estado de parada inicial.
P a r a da solicit a da en u n est a do det er m in a do: La m á qu in a t ien e
qu e pa r a r por a lgú n m ot ivo en u n a pa r t e in t er m edia de u n ciclo,
pasa luego a estado de parada obtenida.
P a r a da obt en ida : E s a qu ella pa r a en u n est a do in t er m edio de u n
ciclo, pu eden exist ir diver sos gr a dos o pu n t os in t er m edios en el
ciclo, esto va a estar definido en el programa.
P r epa r a ción pa r a la pu est a en m a r ch a despu és de u n defect o: E n
est e est a do se deben r ea liza r la s a ccion es n ecesa r ia s pa r a cor r egir
la s fa lla s. F in a liza da la r epa r a ción , el oper a dor elegir á com o y
cuando reiniciar la máquina en el proceso productivo.
P u est a del sist em a en est a do in icia l: Se r ea liza de for m a
automática, retornando la máquina a su estado inicial.
P u est a del sist em a en u n est a do det er m in a do: E l oper a dor decide
en qu e est a do debe em peza r a oper a r la m á qu in a , depen dien do de
en que parte del ciclo se encuentre el programa.
PROCEDIMIENTOS DE FUNCIONAMIENTO: Pueden ser:
P r odu cción n or m a l: E s el est a do de pr odu cción com ú n de
funcionamiento automático.
Ma r ch a de pr epa r a ción : Son la s a ccion es n ecesa r ia s pa r a per mitir
que la máquina entre en funciones (Ej. calentamiento de un horno
para presión de vapor).
Ma r ch a de cier r e: Cor r espon de la fa se de va cia do o lim pieza qu e
reciben las máquinas antes de parar.
Ma r ch a de ver ifica ción sin or den : E l oper a dor h a ce fu n cion a r la
m á qu in a en for m a m a n u a l, pa r a ver ifica r su cor r ect o desem peñ o,
t a m bién se u sa pa r a posicion a r la m á qu in a en u n det er m in a do
estado o lugar.
Ma r ch a de ver ifica ción con or den : La m á qu in a r ea liza u n ciclo
com plet o de fu n cion a m ien t o a l r it m o da do por el oper a dor . Se u sa
para funciones de mantenimiento y verificación.
Ma r ch a de t est : E s u n a pr u eba de com pr oba ción de bu en
funcionamiento que realiza el autómata.
PROCEDIMIENTOS DE FALLA: Pueden ser:
P a r a da de em er gen cia : Im plica la pa r a da de los a ccion a dor es,
a dem á s se debe gu a r da r en m em or ia la posición en qu e qu edo la
máquina.
Dia gn óst ico y/o t r a t a m ien t o de defect os: E l a u t óm a t a pu ede gu ia r
a l oper a dor pa r a in dica r le don de se en cu en t r a el defect o
63
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
(mediante alarmas), el personal de mantenimiento deberá reparar
la falla.
Producción a pesar de los defectos: Corresponde a los casos en que
la pr odu cción debe con t in u a r a pesa r de qu e el sist em a n o
fu n cion e cor r ect a m en t e. Algu n a s a ccion es pu eden r ea liza r se
manualmente por el operador.
64
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Capítulo IV
INSTRUMENTACION VIRTUAL
1. INTRODUCCION A LA INSTRUMENTACION VIRTUAL
1.1. GENERALIDADES
Mu ch a s veces la r ea liza ción de u n a m edida r equ ier e la in t er ven ción de va r ios
in st r u m en t os, u n os gen er a n est ím u los sobr e el disposit ivo qu e se pr et en de
m edir y ot r os r ecogen la r espu est a a est os est ím u los. E st e con ju n t o de
in st r u m en t os qu e h a ce posible la r ea liza ción de la m edida r ecibe el n om br e de
sist em a de in st r u m en t a ción . Todo sist em a de in st r u m en t a ción con st a de u n os
in st r u m en t os, u n sist em a de in t er con exión de est os in st r u m en t os y u n
con t r ola dor in t eligen t e qu e gest ion a el fu n cion a m ien t o de t odo el sist em a y da
las órdenes para que una medida se realice correctamente.
E l con cept o de in st r u m en t a ción vir t u a l n a ce a pa r t ir del u so de la
computadora personal, como forma de reemplazar equipos físicos por software,
per m it e a los u su a r ios in t er a ct u a r con la com pu t a dor a com o si est u viesen
u t iliza n do u n in st r u m en t o r ea l. E l u su a r io m a n ipu la u n in st r u m en t o qu e n o
es r ea l, se ejecu t a en u n a com pu t a dor a , t ien e su s ca r a ct er íst ica s defin ida s por
software pero realiza las mismas funciones que un equipo real,
La idea es sustituir y ampliar elementos "hardware" por otros "software", para
ello se em plea u n pr ocesa dor qu e ejecu t e u n pr ogr a m a específico, est e
pr ogr a m a se com u n ica con los disposit ivos pa r a con figu r a r los y leer su s
m edida s. E n m u ch a s oca sion es el u su a r io fin a l del sist em a de
in st r u m en t a ción sólo ve la r epr esen t a ción gr á fica de los in dica dor es y bot on es
de control virtuales en la pantalla del ordenador.
E l con cept o de in st r u m en t a ción vir t u a l im plica a dqu isición de señ a les, el
pr ocesa m ien t o, a n á lisis, a lm a cen a m ien t o, dist r ibu ción y despliegu e de los
da t os e in for m a ción r ela cion a dos con la m edición de u n a o va r ia s señ a les,
interfaz hombre-máquina, visualización, monitoreo y supervisación remota del
proceso, la comunicación con otros equipos, etc.
Un sist em a de in st r u m en t a ción vir t u a l est a en foca do a los in st r u m en t os
en ca r ga dos de m edir señ a les, r egist r a r da t os y decidir la s a ccion es de con t r ol,
eviden t em en t e, se r equ ier e de u n a et a pa de a ct u a ción , qu e con for m a la
65
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
in t er fa z en t r e la com pu t a dor a y el sist em a a con t r ola r , por t a n t o est a et a pa
im plica r á dr iver s de pot en cia o t r a n sdu ct or es de señ a l especia les. Adem á s,
exist en ot r a s et a pa s a u xilia r es qu e n o in t er vien en en el pr oceso de m edida ,
como es el caso del subsistema de alimentación.
Los in icios de la in st r u m en t a ción con t r ola ble desde el or den a dor , y de h ech o
de los sist em a s de in st r u m en t a ción , se sit ú a n a m edia dos de los a ñ os 60
cu a n do H ewlet t P a cka r d, desa r r olló su bu s pa r a in st r u m en t a ción H P -IB
(H ewlet t P a cka r d In t er fa ce Bu s) qu e per m it ía con ect a r su ga m a de
in st r u m en t os pr ogr a m a bles a u n or den a dor . E st a in t er fa se ga n ó r á pida m en t e
gr a n popu la r ida d y en 1975 fu e a cept a da com o u n est á n da r : el IE E E -488.
Desde a qu ellos día s h a st a a h or a el est á n da r h a su fr ido va r ia s m odifica cion es
y el bu s GP IB (a cr ón im o de Gen er a l P u r pose In t er fa ce Bu s, por el qu e se le
con oce h a bit u a lm en t e) se h a con ver t ido en u n o de los m á s popu la r es en el
ca m po de la in st r u m en t a ción pr ogr a m a ble. La in st r u m en t a ción vir t u a l es u n
con cept o in t r odu cido por la com pa ñ ía Na cion a l In st r u m en t s el a ñ o 2001, los
cu a les cr ea r on u n soft wa r e qu e le per m it ía a la com pu t a dor a r ea liza r
mediciones.
E l t ér m in o "vir t u a l" n a ce a pa r t ir del h ech o de qu e cu a n do se u t iliza el P C
como "in st r u m en t o" es el u su a r io m ism o qu ién , a t r a vés del soft wa r e, defin e
su fu n cion a lida d y "a pa r ien cia " y por ello decim os qu e "vir t u a liza m os" el
in st r u m en t o, ya qu e su fu n cion a lida d pu ede ser defin ida u n a y ot r a vez por el
usuario y no por el fabricante.
La m odela ción de la r ea lida d qu e t ien e lu ga r com o r esu lt a do la sim u la ción , n o
constituye un elemento determinante para penetrar en la esencia de la misma
y llega r a con ocer la , es n ecesa r io el em pleo de pr ocedim ien t os qu e la
com plem en t en m et odológica m en t e, y a lca n za r en t on ces los objet ivos y la
escen ifica ción de la m ism a . La sim u la ción o vir t u a liza ción con sist e por t a n t o
en la representación de la realidad
66
Henry Antonio Mendiburu Díaz
1.2. INSTRUMENTACION VIRTUAL FRENTE A LA CONVENCIONAL
Cu a n do se com pa r a la in st r u m en t a ción vir t u a l y la in st r u m en t a ción
con ven cion a l se com pa r a gen er a lm en t e el pr oceso de sen sa do. E l pr oceso de
m edida o sen sa do con sist e en la a sign a ción de n ú m er os a la s pr opieda des de
los objet os o a con t ecim ien t os del m u n do r ea l, de for m a qu e se obt en ga u n a
descripción de los mismos.
Desde el pu n t o de vist a de la in st r u m en t a ción t r a dicion a l o con ven cion a l u n
in st r u m en t o de sen sa do es u n disposit ivo ca pa z de r ecoger señ a les y ca m po y
pr opor cion a r m edida s h a cia u n disposit ivo con t r ola dor . Desde el pu n t o de
vist a de la in st r u m en t a ción vir t u a l, la com pu t a dor a m edia n t e el h a r dwa r e
n ecesa r io r ecoge dich a s señ a les de ca m po y la s pr ocesa ; por t a n t o la
computadora se convierte en el dispositivo para medir y controlar un proceso.
E l u so de com pu t a dor a s t r a e ven t a ja s com o la con ect ivida d de r edes, es
posible u t iliza r u n ú n ico sist em a de a dqu isición de da t os qu e pr opor cion e
m edida s a va r ia s com pu t a dor a s loca les o r em ot a s, en la s qu e se ejecu t a el
código del in st r u m en t o vir t u a l. E st a solu ción es m u y pot en t e, ya qu e a h or r a
mucho t iem po de desa r r ollo, y por lo gen er a l n o r equ ier e de a m plios
conocimientos de programación.
Debido a la gr a n ca pa cida d de a lm a cen a m ien t o de la s P C's, r á pido a cceso a la
in for m a ción y t om a de decisión , br in da la posibilida d de em u la r u n a gr a n
ca n t ida d de disposit ivos de m edición y oper a r va r ios in st r u m en t os a l m ism o
tiempo.
Un in st r u m en t o vir t u a l pu ede m ost r a r en pa n t a lla dos t ipos de elem en t os
gráficos:
-
Elementos Indicadores:
Son elem en t os de sa lida qu e per m it en m ost r a r in for m a ción a l u su a r io,
por ejem plo, el va lor de u n a m edida . Algu n os ejem plos de in dica dor es
son: gráficas, indicadores de aguja, LED, etc.
-
Elementos de Control:
Los cu a les a cept a n la en t r a da del u su a r io, per m it ien do gober n a r el
com por t a m ien t o del pr ogr a m a y/o del sist em a . Algu n os ejem plos de
controles son: interruptores, pulsadores, cajas de entrada de texto, etc.
Ven t a ja s de la
convencional:
-
in st r u m en t a ción
vir t u a l fr en t e
a
la
in st r u m en t a ción
La interfaz y el instrumento es definido por el usuario
67
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
-
F u n cion a lida d ilim it a da , or ien t a do a a plica cion es, con ect ivida d
amplia.
El software es la clave del sistema
Bajo costo/función, variedad de funciones.
Es reusable y se puede aplicar tantas veces se requiera
Arquitectura "abierta"
Rá pida in cor por a ción de n u eva s t ecn ología s, gr a cia s a la pla t aforma
PC.
Altas economías de escala, bajos costos de mantenimiento.
In t er ca m bio de in for m a ción con ot r a s a plica cion es de Win dows, Lin u x,
u otro sistema operativo.
Mú lt iples ca pt u r a s desde u n solo pu n t o, y posibilida d de en vió a
múltiples puntos locales o remotos.
2. ADQUISICION DE DATOS
La a dqu isición de da t os con sist e bá sica m en t e en ca pt a r u n a señ a l física y
lleva r la a u n a com pu t a dor a , est o sign ifica t om a r u n con ju n t o de va r ia bles
m en su r a bles en for m a física y con ver t ir la s en t en sion es eléct r ica s, de t a l
manera que se puedan utilizar o puedan ser leídas en la PC.
Es necesario que la señal física pase por una serie de etapas que le permitan a
la com pu t a dor a ser ca pa z de in t er pr et a r la señ a l en via da . Un a vez qu e la s
señ a les eléct r ica s se t r a n sfor m a r on en digit a les den t r o de la m em or ia de la
P C, se la s pu ede pr ocesa r con u n pr ogr a m a de a plica ción a decu a do a l u so qu e
el usuario desea
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
De la m ism a m a n er a qu e se t om a u n a señ a l eléct r ica y se t r a n sfor m a en u n a
digit a l den t r o del or den a dor , se pu ede t om a r u n a señ a l digit a l o bin a r ia y
con ver t ir la en u n a eléct r ica , de est a m a n er a la P C pu ede en via r señ a les h a cia
dispositivos actuadores.
2.1. ETAPAS DE LA ADQUISICION DE DATOS
La señ a l física pa sa por u n a ser ie de et a pa s pa r a poder ser leída por la
computadora, estas son:
Transductores del
Proceso Fìsico
Acondicionamiento y
Amplificaciòn de la
Señal
Adquisicòn de Datos
Computadora Personal
Sofware de Manejo
Etapa de transductores:
Los t r a n sdu ct or es son disposit ivos qu e con vier t en u n a señ a l física (com o por
ejem plo pr esión , t em per a t u r a , lu z, et c.) en señ a les eléct r ica s de volt a je o
corriente.
Etapa de transmisión:
Per m it e en via r la s señ a les de sa lida de u n a et a pa h a cia ot r a sit u a da en u n a
loca liza ción r em ot a . P a r a dist a n cia s n o excesiva s, es com ú n em plea r u n bu cle
de corriente 4-20 mA para la transmisión de las señales
Etapa de acondicionamiento:
Con t ien e cir cu it os elect r ón icos en ca r ga dos de t r a n sfor m a r la s señ a les de
sen sa do en n u eva s va r ia bles eléct r ica s, de for m a qu e sea n m á s fá ciles de
69
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
t r a t a r por el r est o de et a pa s del sist em a . Im plica filt r a do de r u ido,
escalonamiento, ajuste al rango del convertidor A/D, etc.
Etapa de adquisición
E fect ú a la t r a n sfor m a ción de la in for m a ción a n a lógica a u n for m a t o digit a l, lo
qu e h a ce posible u n post er ior pr ocesa m ien t o y a lm a cen a m ien t o m edia n t e el
uso de una computadora.
Etapa de procesamiento:
Tien e lu ga r den t r o de la com pu t a dor a , con sist e en la r ea liza ción de
operaciones sobre la información digital obtenida: decisiones para el control de
u n sist em a , det ección de sit u a cion es de a la r m a , cor r ección de m edida s,
almacenamiento y reportes de información, etc.
2.2. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES
P or lo gen er a l la s señ a les eléct r ica s de ca m po vien en con t a m in a da s de r u ido,
a r m ón icos, ca ída s de volt a je o cor r ien t e, y ot r os fen óm en os qu e dist or sion a n la
señ a l. Adem á s el com ú n de la s t a r jet a s de a dqu isición de da t os est á n
diseñada s pa r a r ecibir señ a les de cor r ien t e en u n r a n go de 4
20 m A y/o
señ a les de volt a je en u n r a n go de -5 a 5 Vdc., por t a n t o es n ecesa r io qu e la s
señales eléctricas sean limpiadas y llevadas dentro de estos rangos.
E l a con dicion a m ien t o de señ a l es opcion a l, por qu e depen dien do de ca da señ a l
y/o a plica ción , se pu ede o n o r equ er ir a m plifica ción , a t en u a ción , filt r a je,
aislamiento, etc. de cada señal. Si la señal está en el rango de los +/- 5Vdc y no
70
Henry Antonio Mendiburu Díaz
se r equ ier e de a isla m ien t o o filt r a je, la m ism a pu ede ser con ectada
directamente la tarjeta de adquisición de datos.
E n est a et a pa de a con dicion a m ien t o podem os en con t r a r est a s su bet a pa s,
aunque no todas están siempre presentes:
Amplificación
P a r a con segu ir la m a yor pr ecisión posible la señ a l de en t r a da deber ser
a m plifica da de m odo qu e su m á xim o n ivel coin cida con el m á xim o n ivel qu e el
con ver t idor o t a r jet a pu eda leer , de est e m odo se a pr ovech a t odo el r a n go del
dispositivo.
Aislamiento
E l a isla m ien t o eléct r ico en t r e el t r a n sdu ct or y el or den a dor , es im por t a n t e
pa r a pr ot eger a l est os de t r a n sit or ios de a lt a t en sión qu e pu eda n da ñ a r lo. Un
m ot ivo a dicion a l pa r a u sa r a isla m ien t o es el ga r a n t iza r qu e la s lect u r a s del
con ver t idor n o son a fect a da s por difer en cia s en el pot en cia l de m a sa o por
t en sion es en m odo com ú n . Cu a n do el sist em a de a dqu isición y la señ a l a
m edir est á n a m ba s r efer ida s a m a sa pu eden a pa r ecer pr oblem a s si h a y u n a
difer en cia de pot en cia l en t r e a m ba s m a sa s, a pa r ecien do u n "bu cle de m a sa ",
que puede devolver resultados erróneos.
Multiplexado
E l m u lt iplexa do es la con m u t a ción de la s en t r a da s del con ver t idor , de m odo
qu e con u n sólo con ver t idor podem os m edir los da t os de difer en t es ca n a les de
entrada. Puesto que el mismo convertidor está midiendo diferentes canales, su
fr ecu en cia m á xim a de con ver sión ser á la or igin a l dividida por el n ú m er o de
canales muestreados.
Filtrado
E l fin del filt r o es elim in a r la s señ a les n o desea da s de la señ a l qu e est a m os
observando.
La s señ a les a lt er n a s, t a les com o la vibr a ción , n ecesit a n u n t ipo dist in t o de
filt r o, con ocido com o filt r o a n t ia lia sin g, qu e es u n filt r o pa sa ba jo per o con u n
cor t e m u y br u sco, qu e elim in a t ot a lm en t e la s señ a les de m a yor fr ecu en cia qu e
la m á xim a a m edir , ya qu e se si n o se elim in a sen a pa r ecer ía n su per pu est a s a
la señal medida, con el consiguiente error.
Excitación
La et a pa de a con dicion a m ien t o de señ a l a veces gen er a excit a ción pa r a
a lgu n os t r a n sdu ct or es, com o por ejem plos la s ga lga s ext esom ét r ica s,
71
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
t er m ist or es o RTD, qu e n ecesit a n de la m ism a , bien por su con st it u ción
in t er n a , (com o el t er m ist or , qu e es u n a r esist en cia va r ia ble con la
t em per a t u r a ) o bien por la con figu r a ción en qu e se con ect a n (com o el ca so de
las galgas, que se suelen montar en un puente de Wheatstone).
Linealización
Mu ch os t r a n sdu ct or es pr esen t a n u n a r espu est a n o lin ea l a n t e ca m bios
lin ea les en los pa r á m et r os qu e est á n sien do m edidos. Au n qu e la lin ea liza ción
pu ede r ea liza r se m edia n t e m ét odos n u m ér icos en el sist em a de a dqu isición de
da t os, su ele ser u n a bu en a idea el h a cer est a cor r ección m edia n t e cir cu it os
externos.
3. DIGITALIZACION DE SEÑALES
3.1. CONVERTIDOR A/D
D/A
La s señ a les son la s on da s qu e per m it en la com u n ica ción de u n pu n t o a ot r o,
la s señ a les eléct r ica s pu edes ser con t in u a s (a n a lógica s) o discr et a s (digit a les).
Los in st r u m en t os de ca m po se com u n ica n por lo gen er a l m edia n t e señ a les
a n a lógica s, m ien t r a s qu e la com pu t a dor a y dem á s disposit ivos elect r ón icos
t r a ba ja n con señ a les digit a les. P or t a n t o el pa so de u n t ipo a ot r o t ipo im plica
una conversión.
Un con ver t idor An a lógico / Digit a l es u n dispositivo qu e pr esen t a en su sa lida
u n a señ a l digit a l (bin a r ia ) a pa r t ir de u n a señ a l a n a lógica de en t r a da ,
(normalmente de tensión) realizando las funciones de muestreo, cuantificación
y codificación.
72
Henry Antonio Mendiburu Díaz
En la etapa de muestreo, el convertidor toma muestras de la entrada a
u n r it m o r egu la r da do por la fr ecu en cia de m u est r eo F m o, lo qu e es
equivalente a tomar una muestra en un tiempo T = 1/Fm.
Segú n la Con dición de Nyqu ist , la fr ecu en cia de m u est r eo m ín im a
debe ser de dos veces la fr ecu en cia de la on da a n a lógica qu e se qu ier e
discretizar.
La cuantificación im plica la división del r a n go con t in u o de en t r a da en
u n a ser ie de pa sos (2 N ) don de N es el n ú m er o de bit s, de m odo que
pa r a in fin it os va lor es de la en t r a da la sa lida sólo pu ede pr esen t a r u n a
ser ie det er m in a da de va lor es. P or t a n t o la cu a n t ifica ción im plica u n a
pérdida de información a menor cantidad de bits.
La codificación es el paso por el cual la señal digital se ofrece según un
det er m in a do código bin a r io, de m odo qu e la s et a pa s post er ior es a l
convertidor puedan leer estos datos adecuadamente.
Un con ver t idor Digit a l / An a lógico es u n disposit ivo qu e em it e u n a señ a l
a n a lógica a pa r t ir de u n a señ a l de en t r a da digit a l. E st o lo logr a m edia n t e el
proceso inverso al convertidor A/D.
3.2. ERROR DE CONVERSION
Los er r or es qu e pu eden ocu r r ir cu a n do se con vier t e u n a señ a l a n a lógica a
digital son los siguientes:
Error de Ganancia: Produce un valor de fondo de escala incorrecto. Un
error de ga n a n cia posit ivo h a ce qu e el va lor de fon do de esca la
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
a n a lógico se obt enga con u n código digit a l m en or qu e el t odo 1s . Un
er r or de ga n a n cia n ega t ivo h a ce qu e el código de t odo 1 sea
producido por un valor menor que el fondo de escala.
E r r or difer en cia l n o-lineal: E s la m á xim a difer en cia en t r e dos va lor es
de entrada que producen códigos de salida consecutivos.
E r r or in t egr a l n o-lineal: E s la in t egr a l del á r ea lim it a da por la cu r va
característica del convertidor y la curva ideal.
E r r or de a per t u r a : E s el er r or debido a la va r ia ción de la señ a l de
entrada mientras se está realizando la conversión.
E r r or de Offset : E s u n despla za m ien t o con st a n t e pa r a t odos los
valores de la curva obtenida (real) y la curva original (ideal).
E fect o Alia sin g: E l a lia sin g se pr odu ce cu a n do la fr ecu en cia de
m u est r eo es m en or qu e la de la señ a l qu e se m u est r ea , y se r efier e a l
h ech o de qu e podem os in t er pr et a r de u n a m a n er a n o exa ct a la señ a l,
apareciendo un "alias" de la señal
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
4. DISEÑO Y SELECCIÓN DE TARJETAS DAQ
La tarjeta de adquisición de datos permite que una computadora pueda recibir
y enviar datos, así como comunicarse con otros dispositivos inteligentes.
Cuando se escoge un modelo de DAQ se debe tener en cuenta:
Número de canales entrada/salida de la tarjeta
Características digital/analógica de los canales
Contadores, timer, cantidad de memoria
Resolución del conversor A/D (8, 12, 16 bis)
Rango de lectura en voltaje/corriente
Ganancia de entrada, impedancia, frecuencia
Características y arquitectura modulare
Capacidad de expansión de canales
Bus de comunicación con la PC
Software de procesamiento de datos
Compatibilidad con otros fabricantes y otros protocolos
Características industriales (robustez, temperatura, filtros, etc.)
Velocidad de muestreo
4.1. TIPOS DE TARJETAS DAQ
Las tarjetas de adquisición de datos (DAQ) pueden ser como las siguientes
tarjetas independientemente o contar con combinaciones de estas:
Tarjetas A/D: Convierten las señales analógicas en señales digitales. Los
rangos de tensión de entrada comúnmente utilizados son: 10V, -5V y 5V, 0 a
5V, 0 a 10V, también hay tarjetas A/D que miden corrientes entre 4 a 20 mA.
Tarjetas D/A: Convierten una señal digital dada por la computadora en una
señal analógica. Los rangos normales de salida de tensión que otorgan estas
tarjetas son de 5V, 10V, 0 a 5V y de 0 a 10V, también hay tarjetas que
generan corriente de 4 a 20 mA.
Tarjetas I/O: Son tarjetas de entradas y salidas digitales. Mediante estas
tarjetas se pueden accionar todo lo que implique cambio entre dos estados. Por
lo general se tiene un nivel bajo de 0 a 0.8 V, y un nivel alto de 2 a 5 V,
dependiendo de cada fabricante.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Tarjetas con relés: Son tarjetas que poseen un relé de salida digital que se
emplea para accionar un determinado componente del proceso. Este relé
cumple con las funciones de un interruptor.
Tarjetas con acopladores: Son tarjetas que poseen circuitos optoacopladores en
las entradas digitales que permiten separar la electrónica del proceso con la
electrónica de la computadora. Esto se emplea con la finalidad de proteger a la
PC de un eventual cortocircuito.
Tarjetas de comunicación: Permiten comunicar la PC con el medio exterior.
Ta r jet a s in t eligen t es: E st a s t a r jet a s cu en t a n con u n m icr opr ocesa dor qu e les
permite realizar cálculos y operaciones autónomamente.
4.2. COMPONENTES DE LAS TARJETAS DAQ
Los elementos que componen una tarjeta de adquisición de datos son:
Multiplexor
E s u n sist em a com bin a cion a l con u n det er m in a do n ú m er o de en t r a da s,
den om in a da s ca n a les, u n a sa lida de da t os y u n a s en t r a da s de selección . La
función que realiza un multiplexor la de un selector de entradas.
Algu n a s de la s especifica cion es im por t a n t es de los m u lt iplexor es son :
corrientes de fuga de switch, CMRR, corriente de bias del amplificador, tiempo
de switching, constante de tiempo RC, absorción dieléctrica, cross-talk.
Amplificador de instrumentación
E s u n a m plifica dor m á s ú t il, pr eciso y ver sá t il. Se logr a con ect a n do u n
a m plifica dor r efor za do a u n a m plifica dor difer en cia l bá sico. Se le a plica u n a
en t r a da difer en cia de volt a je, la ga n a n cia del a m plifica dor se est a blece
m edia n t e u n a r esist en cia . La r esist en cia de en t r a da de a m ba s en t r a da s es
muy alta y no cambia conforme se varía la ganancia.
La s especifica cion es im por t a n t es en los Am plifica dor es de In st r u m en t a ción
son : Volt a je offset , CMRR, er r or de lin ea lida d, er r or de ga n a n cia , r u ido de
entrada, deriva de tiempo y de tensión, settling time.
Filtros
Un filt r o es u n cir cu it o qu e se h a diseñ a do pa r a deja r pa sa r u n a ba n da de
frecuencia especifica da , m ien t r a s a t en ú a t oda s la s señ a les fu er a de est a
ba n da . Los cir cu it os pu eden ser pa sivos (u sa solo r esist en cia s ca pa cit a n cia s e
in du ct a n cia s) ó a ct ivos (a dem á s de los elem en t os pa sivos u sa n elem en t os
activos como transistores, operacionales, etc.)
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
H a y cu a t r o t ipos de filt r os : P a sa ba jo, pa sa a lt o, pa sa ba n da y r ech a za ba n da .
La s fu n cion es de t r a n sfer en cia de los filt r os son fu n cion es de a pr oxim a cion es,
ella s pu eden ser del t ipo Bu t t er wor t h , Ch ebysch ev o Bessel. Ca da u n a con
características específicas en respuesta transitoria, fase y amplitud.
Sample/hold
La fu n ción bá sica de u n sa m ple/h old en u n sist em a de en t r a da a n a lógica es
ca pt u r a r u n a señ a l de en t r a da y m a n t en er la con st a n t e du r a n t e el ciclo de
conversión de análoga a digital.
Todo sa m ple/h old t ien e u n a especifica ción del dr oop r a t e pa r a u n t a m a ñ o de
con den sa dor de h old en pa r t icu la r . Ot r a s especifica cion es im por t a n t es son el
volt a je offset , er r or de pedest a l, r u ido de en t r a da , a bsor ción dieléct r ica ,
settling time, acquisition time, aperture delay.
Conversor Analógico Digital
Un con ver sor a n a lógico digit a l (ADC) t om a u n a señ a l de en t r a da a n a lógica
con t in u a , y la con vier t e en u n n ú m er o bin a r io qu e pu ede ser m a n ipu la do por
la PC.
Las especificaciones que deben ser consideradas en los ADC son: voltaje offset,
er r or es de lin ea lida d difer en cia l e in t egr a l, er r or de ga n a n cia , va r ia cion es con
el tiempo y temperatura, perdida de códigos, tiempo de conversión.
Conversor Digital Analógico
Un con ver sor digit a l a n a lógico (DAC) t om a señ a les digit a les com o en t r a da s y
gen er a volt a jes o cor r ien t es de sa lida con st a n t e la cu a l ser á u t iliza da pa r a
controlar procesos o informar el estado actual.
La s especifica cion es im por t a n t es en los DAC son : er r or de lin ea lida d,
m on ot on icida d, pr ecisión a bsolu t a , pr ecisión r ela t iva , est a bilida d, set t lin g
time y glitches.
Diagrama de bloques de una tarjeta DAQ:
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
5. DISEÑO DE INSTRUMENTOS VIRTUALES
P a r a con st r u ir u n in st r u m en t o vir t u a l, sólo r equ er im os de u n a P C, u n a
t a r jet a de a dqu isición de da t os con a con dicion a m ien t o de señ a les (P CMCIA,
ISA, XT, PCI, etc.) y el software apropiado.
Un in st r u m en t o vir t u a l debe r ea liza r com o m ín im o la s t r es fu n cion es bá sica s
de un instrumento convencional: adquisición, análisis y presentación de datos.
La in st r u m en t a ción vir t u a l pu ede t a m bién ser im plem en t a da en equ ipos
m óviles (la pt ops), equ ipos dist r ibu idos en ca m po (RS-485), equ ipos a dist a n cia
(conectados vía radio, Internet, etc.), o equipos industriales (NEMA 4X, etc.).
E xist e u n a t a r jet a de a dqu isición de da t os pa r a ca si cu a lqu ier bu s o ca n a l de
com u n ica ción en P C (ISA, P CI, USB, ser ia l RS-232, RS-422, pa r a lelo E P P ,
P CMCIA, Com pa ct P CI, P C/104, VME bu s, CAMAC, P XI, VXI GPIB, et c.), y
exist e u n dr iver pa r a ca si cu a lqu ier sist em a oper a t ivo (WIN /3.1 /95 /2000 /XP
/NT, DOS, Unix, Linux, MAC OS, etc.).
Algu n os pr ogr a m a s especia liza dos en est e ca m po son LabVIEW, Agilent-VEE
(a n t es H P -VE E ), Cyber Tools, Bet a In st r u m en t s Ma n a ger , Ma t la b Sim u lin k,
etc.
Ruido del sistema
Idea lm en t e, u n a señ a l qu e es digit a liza da y en t r ega da por u n in st r u m en t o
vir t u a l es la m ism a señ a l qu e es in gr esa da a l in st r u m en t o. F r ecu en t em en te
se pu eden a t r ibu ir la s difer en cia s en t r e la s señ a les de en t r a da y sa lida a l
r u ido del sist em a , el cu a l pr ovien e de u n diver so n ú m er o de fu en t es,
incluyendo el medio ambiente y el instrumento mismo.
E l diseñ o de u n in st r u m en t o vir t u a l r equ ier e qu e se com pr en da com o el r u ido
pu ede a fect a r la a dqu isición de da t os, el diseñ o del h a r dwa r e y el m edio
ambiente.
Si n o se en t ien den la s pr eocu pa cion es r ela t iva s t a les com o la in t er fer en cia
electromagnética (E MI), m a n ejo de la fu en t e de pot en cia , pu est a a t ier r a , la
con figu r a ción elect r ón ica , et c., en t on ces n o se pu ede diseñ a r u n in st r u m en t o
que sea exacto dentro de un medio ambiente eléctricamente ruidoso.
P a r a con segu ir det er m in a r el r u ido en u n sist em a con in st r u m en t a ción
virtual, se debe seguir los siguientes pasos:
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
P r im er a m en t e se deben pon er a t ier r a la s en t r a da s del in st r u m en t o y
medir cualquier señal de ruido remanente.
Seleccion e u n ca n a l de en t r a da del in st r u m en t o y con ect e la s en t r a da s
positivas y n ega t iva s a la t ier r a del m ism o. Se deber á n con ect a r la s
en t r a da s del con ect or del in st r u m en t o t a n cer ca del con ect or com o sea
posible a fin de r edu cir cu a lqu ier a copla m ien t o de r u ido ext er n o sobr e
la conexión.
Con figu r e el in st r u m en t o pa r a a dqu ir ir u n m illón o m á s de da t os a la
desea da velocida d de m u est r eo. Repa se sólo los códigos bin a r ios
entregados por el instrumento.
Ah or a cu en t e ca da vez qu e ocu r r e u n código bin a r io y coloqu e la
in for m a ción en u n h ist ogr a m a . P a r a u n in st r u m en t o de 16 bit s, su
hist ogr a m a posee 216 in t er va los y ca da in t er va lo con t ien e la ca n t ida d
de veces que fue contado el código binario en particular.
Lu ego se deber á n or m a liza r los da t os a dqu ir idos. Debido a qu e el
in st r u m en t o n o es idea l, se deber á n bu sca r la s desvia cion es de los
da t os con r espect o a l cer o. P a r a n or m a liza r los da t os se debe dividir el
n ú m er o de ocu r r en cia s en ca da in t er va lo por el n ú m er o t ot a l de
m u est r a s a dqu ir ida s. E st o pr ovee u n va lor n or m a liza do qu e
representa la probabilidad de ocurrencia de un código en particular.
P a r a det er m in a r el peor r u ido, se debe en con t r a r el código qu e posea
la m a yor pr oba bilida d y com pa r a r lo con el código qu e se h a lle m á s
lejos y posea la m en or pr oba bilida d. La difer en cia en t r e los dos en
LSBs es el mayor ruido del instrumento.
Inexactitud absoluta
La in exa ct it u d a bsolu t a de u n in st r u m en t o vir t u a l es la m á xim a difer en cia
en t r e el va lor m edida en t r ega do por el in st r u m en t o y el va lor r ea l a plica do en
su entrada.
Típica m en t e, u n fa br ica n t e pr ovee in for m a ción de la exa ct it u d a bsolu t a pa r a
cada rango de entradas y modos que el instrumento puede manejar.
La s t a bla s de exa ct it u d a bsolu t a a m en u do in clu yen in for m a ción de la
exa ct it u d ba sa da s en el per íodo t r a n scu r r ido desde la ú lt im a ca libr a ción del
in st r u m en t o. E st a va r ia ción de la exa ct it u d con el t r a n scu r so del t iem po se
debe a la desga st e de los com pon en t es elect r ón icos qu e con st it u yen el
instrumento.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
P a r a t en er en cu en t a est e desga st e, se debe ca libr a r el in st r u m en t o a
intervalos de tiempo determinados siguiendo un cronograma de actividades.
Exactitud absoluta
La s especifica cion es de exa ct it u d a bsolu t a s a yu da n a det er m in a r la
in cer t idu m br e gen er a l de la s m edicion es. La h a bilida d del in st r u m en t o pa r a
m edir con exa ct it u d u n a m a gn it u d física va r ía con u n a ser ie de fa ct or es, t a les
com o: t iem po en ser vicio, t em per a t u r a , h u m eda d, exposición a l m edio
ambiente y abuso.
P a r a ver ifica r la exa ct it u d a bsolu t a de u n in st r u m en t o vir t u a l, se deben
seguir los siguientes pasos:
Utilice la tabla de exactitud absoluta proporcionada por el fabricante y
ca lcu le la exa ct it u d pa r a u n a en t r a da en pa r t icu la r . E n m u ch os ca sos,
se eligen pu n t os de en sa yo cer ca de los fon dos de esca la n ega t ivos y
positivos del rango de entrada así como también el cero.
Ut ilice u n a fu en t e de pr ecisión y en t r e el va lor a en sa ya r a l
instrumento.
Com pa r e la s m edicion es del in st r u m en t o con la exa ct it u d ca lcu la da en
el pr im er pa so. Un in st r u m en t o diseñ a do a decu a da m en t e qu e se h a lla
ca libr a do pr ovee r esu lt a dos de m edicion es qu e cu m plen con la s
especificaciones de exactitud absoluta publicadas por el fabricante.
Calibración de Instrumentos Virtuales
La ca libr a ción cu a n t ifica la in cer t idu m br e en la m edición com pa r a n do la s
m edicion es con u n a n or m a con ocida . E st o ver ifica qu e el in st r u m en t o se h a lla
operando dentro de especificaciones establecidas.
Du r a n t e a lgú n t iem po los u su a r ios com pr en dier on la n ecesida d de ca libr a r
in st r u m en t os t r a dicion a les. Los m ism os pr in cipios se a plica n a m edicion es
r ea liza da s con com pu t a dor a s. Se deber ía n seleccion a r in st r u m en t os vir t u a les
qu e pr ovea n h er r a m ien t a s pa r a r ea liza r t a n t o ca libr a cion es in t er n a s
(conocidas como auto-calibraciones), como calibraciones externas.
Las opciones de calibración externa e interna ofrecen dos beneficios diferentes:
con la ca libr a ción ext er n a se pu ede a segu r a r qu e la exa ct it u d de la m edición
está sujeta a una norma conocida. Con la calibración interna, se puede ajustar
el in st r u m en t o pa r a ser u t iliza do en m edios a m bien t es difer en t es a los cu a les
se realizó la calibración externa.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
La ca libr a ción ext er n a r equ ier e el u so de fu en t es de a lt a pr ecisión , t a m bién
con ocida s com o pa t r on es. Du r a n t e u n a ca libr a ción ext er n a , la s con st a n t es de
ca libr a ción a bor do y la s r efer en cia s se a ju st a n con r espect o a la s con st a n t es
pa t r ón ext er n a s. La ca libr a ción ext er n a se r eser va a la bor a t or ios de
m et r ología u ot r a s in st it u cion es qu e m a n t en ga n n or m a s ver ifica bles. Un a vez
que se completó la calibración externa, las nuevas constantes de calibración se
a lm a cen a n en u n á r ea pr ot egida de la m em or ia de los in st r u m en t os y n o
pu eden ser m odifica da s por el u su a r io. E st o pr ot ege la in t egr ida d de la
calibración de la adulteración.
Debido a qu e la ca libr a ción in t er n a n o se ba sa en pa t r on es ext er n os, es u n
m ét odo m u ch o m á s sim ple. Con la ca libr a ción in t er n a , la s con st a n t es de
ca libr a ción del in st r u m en t o se a ju st a n con r espect o a r efer en cia s pr ecisa s
exist en t es en el m ism o. Lu ego de qu e se ca libr ó ext er n a m en t e el in st r u m en t o
y coloca do en u n m edio a m bien t e don de la s va r ia bles ext er n a s, t a les com o
t em per a t u r a , difier en de la s del m edio a m bien t e or igin a l, se pu ede u t iliza r
est e t ipo de ca libr a ción . F in a lm en t e, a difer en cia de la ca libr a ción ext er n a , se
pu ede r ea liza r u n a ca libr a ción in t er n a en cu a lqu ier m om en t o u t iliza n do
fu n cion es del soft wa r e qu e son pr ovist a s con el m a n eja dor de la pla ca del
instrumento.
Ejecución del Programa
La ejecución de un programa dentro de un controlador basado en PC sigue un
esquema cíclico que se compone de los siguientes pasos:
Oper a cion es de gest ión del sist em a : Con sist e en el t r a t a m ien t o de
la in for m a ción , t r a t a m ien t o de la s pet icion es y la s lla m a da s
efect u a da s por el t er m in a l de pr ogr a m a ción y el en vío de
mensajes al terminal.
Lect u r a del est a do de la s en t r a da s: Con sist e en la lect u r a de los
r egist r os de los m ódu los de en t r a da y el a lm a cen a m ien t o de est os
datos en una memoria.
E jecu ción del pr ogr a m a a lm a cen a do: E m pieza por la pr im er a
lín ea y sigu e ejecu t a n do lín ea por lín ea h a st a la ú lt im a . Du r a n t e
est a ejecu ción n o se con sider a u n a posible va r ia ción en el est a do
de la s en t r a da s, el est a do de la s en t r a da s t e t om a del va lor
a lm a cen a do en la m em or ia . Un a vez ejecu t a da la ú lt im a lín ea se
graban los resultados nuevamente en la memoria.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
E scr it u r a de da t os de sa lida : Se efect ú a u n a t r a n sfer en cia de
in for m a ción de la m em or ia a los m ódu los de sa lida . E l ú lt im o
va lor qu e t om e la va r ia ble de sa lida ser á a lm a cen a do en la
memoria
La ejecu ción del pr ogr a m a pr in cipa l y los su bpr ogr a m a s, pu ede r ea liza r se de
dos maneras:
E jecu ción cíclica : Con sist e en en ca den a r los ciclos del pr ogr a m a
u n o t r a s ot r o en for m a con t in u a y sin in t er r u pcion es. Despu és de
a ct u a liza r la s sa lida s, el sist em a pa sa a r ea liza r el ciclo
n u eva m en t e y a sí su cesiva m en t e. E s el m ét odo de ejecu ción por
defecto.
E jecu ción per iódica : Con sist e en ejecu t a r el pr ogr a m a du r a n t e
cier t o t iem po, o t a m bién du r a n t e u n n ú m er o defin ido de veces,
estos criterios pueden ser definidos por el operador.
Calidad de Energía Eléctrica
E l pr oceso de im plem en t a ción de in st r u m en t os vir t u a les in volu cr a la
in cor por a ción de equ ipa m ien t o de ú lt im a gen er a ción don de se incluyen
sistemas electrónicos. Desafortunadamente muchos de los equipos electrónicos
de ú lt im a gen er a ción son m u y sen sibles a la s pequ eñ a s va r ia cion es de volt a je
de alimentación.
La ca lida d de la energía eléctrica es u n con ju n t o de n or m a s qu e son
est a blecida s pa r a ga r a n t izar la bu en a ca lida d del ser vicio eléct r ico de los
usuarios. Se em plea pa r a descr ibir la va r ia ción de la t en sión , cor r ien t e,
frecuencia, y continuidad en el sistema eléctrico
Los sín t om a s de u n pr oblem a de ca lida d de en er gía podr ía n ser t a n sim ples
com o cu a n do se pr esen t a el ca so qu e la lu z de u n a lá m pa r a in ca n descen t e
oscu r ece ca da vez qu e se a r r a n ca u n m ot or eléct r ico, o podr ía ser m á s
ca t a st r ófico a ú n com o cu a n do se m a logr a u n equ ipo elect r ón ico. De cu a lqu ier
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
m a n er a , u n pr oblem a de ca lida d de energía pu ede in t er r u m pir el pr oceso
productivo de una industria, ocasionando grandes pérdidas económicas.
Los pr oblem a s de ca lida d de en er gía pu eden ser a gr u pa dos en la s sigu ien t es
categorías:
- Interrupción Temporal.
- Interrupción Total.
- Interrupción Momentánea.
- Caída de Tensión (Sag)
- Sobretensión (Swell)
- Transitorio, Impulso o Pico de Voltaje.
- Distorsión de la Onda de Voltaje (Picos de menor magnitud)
- Ruido
- Distorsión Armónica
E st os pr oblem a s de en er gía eléct r ica en su m a yor ía son gen er a dos por
diver sa s fu en t es t a les com o: Tr a n sfer en cia s de en er gía de gr u po elect r ógen o a
línea, movimiento de gr a n des ca r ga s eléct r ica s, t r a n sm isor es de on da s,
solda dor a s eléct r ica s, cor t es y r econ exión de equ ipos, acondicionadores,
refrigeradores, etc.
E xist en va r ios t ipos de disposit ivos a con dicion a dor es de en er gía eléctrica
(F ilt r os RF I, Lin e Ch okes, Tr a n sfor m a dor es de fer r o r eson a n t es, su pr esor de
volt a jes t r a n sit or ios, et c.) se en cu en t r a n dispon ibles en el m er ca do pa r a
pr ot eger equ ipos elect r ón icos sen sibles con t r a los pr oblem a s de ca lida d de
energía.
Ta m bién es m á s r ecom en da ble t en er u n sist em a de pu est a a t ier r a . Los
sist em a s se con ect a n a t ier r a pa r a lim it a r la s sobr et en sion es eléct r ica s
debida s a desca r ga s a t m osfér ica s, t r a n sit or ios en la r ed o con t a ct o a cciden t a l
con lín ea s de a lt a t en sión , y pa r a est a biliza r la t en sión eléct r ica a t ier r a
du r a n t e su fu n cion a m ien t o n or m a l. Los equ ipos se con ect a n a t ier r a de m odo
qu e ofr ezca n u n ca m in o de ba ja im peda n cia pa r a la s cor r ien t es eléct r ica s de
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
fa lla , y qu e fa cilit en el fu n cion a m ien t o de los disposit ivos de pr ot ección con t r a
sobrecorriente en caso de falla.
E l sist em a de pu est a a t ier r a t a m bién es im por t a n t e pa r a el sist em a eléct r ico
ya qu e pr opor cion a u n pu n t o est a ble de r efer en cia eléct r ica . Deber á de t en er
un valor de resistividad menor o igual a 5 Ohms.
Adem á s deben exist ir dos sist em a s de pu est a s a t ier r a in depen dien t es
(aislados):
- Sistema de puesta a tierra para equipamiento eléctrico
- Sistema de puesta a tierra para equipamiento electrónico
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Capítulo V
COMUNICACIONES Y
TRANSMISIÓN DE DATOS
1. REDES INDUSTRIALES
La s r edes de com u n ica cion es in du st r ia les son a qu ella s qu e per m it en
in t er con ect a r los equ ipos de u n a pla n t a o sist em a en u n a a plica ción com ú n ,
bajo protocolos de red especial.
1.1. JERARQUIAS DE REDES
La s r edes in du st r ia les est á n n or m a liza da s sobr e 3 n iveles de jer a r qu ía , ca da
n ivel o jer a r qu ía per m it e la con exión de difer en t es t ipos de equ ipos con su s
propias características comunes de compartir la información.
NIVE L DE INF ORMACIÓN: E s el n ivel m á s a lt o de la r ed y est á
dest in a do a u n a com pu t a dor a cen t r a l o ser vidor qu e pr ocesa el
com por t a m ien t o de la pr odu cción en la pla n t a y per m it e oper a cion es
de m on it or eo est a díst ico de la m ism a , sien do im plem en t a do, por lo
gen er a l, con u n soft wa r e ger en cia l (MIS). La n or m a E t h er n et ,
oper a n do con el pr ot ocolo TCP /IP , es lo qu e m á s se u t iliza en est e
nivel.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
NIVE L DE CONTROL: E s el n ivel in t er m edio de la r ed. E s la r ed
cen t r a l loca liza da en la pla n t a , qu e in cor por a los P LCs, DCSs y P Cs.
E n est e n ivel, la in for m a ción debe m over se en t iem po r ea l pa r a
ga r a n t iza r la a ct u a liza ción de los da t os en el soft wa r e qu e se en ca r ga
de la supervisión de la aplicación.
NIVE L DE E NTRADA/SALIDAD: E l n ivel m á s de la r ed, se r efier e
gen er a lm en t e, a la s con exion es física s de la r ed de los disposit ivos de
en t r a da y/o sa lida discr et os. E st e n ivel de r ed con ect a los equ ipos de
ba jo n ivel en t r e la s pa r t es física s y la s de con t r ol. E n est e n ivel se
encuentran los sensores discretos, contactores y bloques de E/S.
Direccionalidad
E n t r e dos disposit ivos los da t os pu eden t r a n sm it ir se en u n a ú n ica dir ección
(com u n ica ción u n ila t er a l o sim plex). Ta m bién pu eden t r a n sm it ir se en dos
dir eccion es, per o en for m a sim u lt á n ea (com u n ica ción bila t er a l a lt er n a da o
h a lf dú plex. F in a lm en t e
pu eden t r a n sm it ir se en a m ba s dir eccion es y
simultáneamente (comunicación bilateral simultánea o full dúplex).
1.2. CLASIFICACION DE LAS REDES
La s r edes pu eden cla sifica r se por el t ipo de equ ipa m ien t o con ect a do a ella s y
el t ipo de da t os qu e cir cu la por la r ed. Los da t os pu eden ser bit s, byt es o
bloques, así tenemos:
-
Red Sensorbus Datos en formato de bits
Red Devicebus Datos en formato de bytes
Red Fieldbus Datos en formato de paquetes de mensajes
La r ed SE NSORBUS con ect a equ ipos sim ples y pequ eñ os
directamente a la red. Los equipos de este tipo de red necesitan de una
com u n ica ción r á pida en los n iveles discr et os y son t ípica m en t e
sen sor es y a ct u a dor es de ba jo cost o. E st a s r edes n o pr et en den cu br ir
gr a n des dist a n cia s; su pr in cipa l pr eocu pa ción es m a n t en er los cost os
de con exión t a n ba jos com o sea posible. E jem plos t ípicos de r edes
Sensorbus: Seriplex, ASI e Interbus Loop.
86
Henry Antonio Mendiburu Díaz
La r ed DE VICE BUS ocu pa el espa cio en t r e la s r edes Sen sor bu s y
F ieldbu s y pu ede cu br ir dist a n cia s de h a st a 500 m . Los equ ipos
con ect a dos a est a r ed t ien en m á s pu n t os discr et os, a lgu n os da t os
a n a lógicos o u n a m ezcla de a m bos. Adem á s, a lgu n a s de est a s r edes
per m it en la t r a n sfer en cia de bloqu es de da t os con u n a m en or
pr ior ida d com pa r a do con los da t os en for m a de byt es. E st a r ed t ien e
los m ism os r equ isit os de t r a n sfer en cia r á pida de da t os qu e la r ed
Sen sor bu s, per o con sigu e m a n eja r m á s equ ipos y da t os. Algunos
ejem plos de r edes Devicebu s: Device-Net , Sm a r t Dist r ibu t ed Syst em
(SDS), Profibus DP, LonWorks, Interbus- S.
La r ed F IE LDBUS in t er con ect a equ ipos de E /S m á s in t eligen t es y
pu ede cu br ir m a yor es in st a n cia s. Los equ ipos a copla dos a la r ed
poseen in t eligen cia pa r a desem peñ a r fu n cion es específica s de con t r ol,
t a les com o la zos de con t r ol P ID, con t r ol de flu jo de in for m a ción y
pr ocesos. Los t iem pos de t r a n sfer en cia pu eden ser la r gos, per o la r ed
debe ser ca pa z de com u n ica r va r ios t ipos de da t os (discr et os,
a n a lógicos, pa r á m et r os, pr ogr a m a s e in for m a cion es del u su a r io).
E jem plo de est a s r edes: IE C/ISA SP 50, F ieldbu s F ou n da t ion , P r ofibu s
PA y HART.
1.3. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO
Los Sist em a s de Con t r ol Dist r ibu ido (DCS
Dist r ibu t ed Con t r ol Syst em s),
son r edes descen t r a liza da s pa r a el m a n ejo y gest ión a dm in ist r a t iva del
elem en t o cen t r a l o ser vidor de la r ed. E st os sist em a s dist r ibu idos u t iliza n u n
con t r ola dor pa r a u n o o u n os pocos la zos de r egu la ción y h a n su st it u ido u n
basto sistema de comunicaciones por un único canal muy rápido.
E st os sist em a s son dest in a dos a l con t r ol de gr a n des o pequ eñ a s pla n t a s de
procesos, fu n da m en t a lm en t e de t ipo con t in u o (pa peler a s, cem en t er a s,
pet r oqu ím ica s, en er gía , sider u r gia , et c.), con ca pa cida d de lleva r a ca bo el
con t r ol in t egr a l de la pla n t a . Se ca r a ct er iza n por u n fu er t e com pon en t e
informático y una estructura jerarquizada.
Si bien se permite la total integración de las señales analógicas y las digitales,
est os sist em a s n o su elen est a r con cebidos pa r a r ea liza r con t r ol digit a l que
n ecesit e a lt a velocida d de r espu est a (en cla va m ien t os de qu em a dor es,
m á qu in a s r ot a t iva s, et c.). E llo h a ce qu e en a lgu n a s a plica cion es se
com plem en t e el DCS con P LC s m á s o m en os in t egr a dos, pa r a r ea liza r est a
tarea.
Su ven t a ja es la gr a n in t egr a ción qu e poseen los dist in t os com pon en t es
(soft wa r e, disposit ivos de con t r ol, en t r a da s y sa lida s, in st r u m en t os, et c.), la
fa cilida d de dia gn óst ico qu e el sist em a ofr ece a los oper a dor es, desa r r ollo del
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
sist em a en ba se a m ódu los en h a r dwa r e y soft wa r e, r edu n da n cia en los
equipos y en el subsistema de comunicaciones.
P u eden r ea liza r est r a t egia s de con t r ol com pleja s, cu en t a n con la ca pa cida d de
com u n ica ción con ot r os or den a dor es en ca r ga dos de la gest ión del pr oceso ,
control avanzado, modelos matemáticos, etc. Permite al operador monitorear y
con t r ola r t odos y ca da u n o de los la zos de con t r ol en la pla n t a a t r a vés de
enlaces de comunicación de alta velocidad.
Entre sus características podemos citar:
Cu en t a n con r ecu r sos de soft wa r e y h a r dwa r e com pa r t idos, los cu a les
son a dm in ist r a dos por u n gest or pu dien do u sa r u n m odelo
cliente/servidor o un modelo basado en recursos y objetos.
Son sist em a s a m plia bles, de a r qu it ect u r a a bier t a , con in t er fa ces
estandarizadas, puede añadirse nuevos elementos y nuevos servicios.
Los usuarios pueden estar utilizando distintas tareas, el acceso a estas
t a r ea s y r ecu r sos deben ser sin cr on iza dos, se dice qu e el sist em a posee
concurrencia.
P oseen esca la bilida d, es decir sigu ien do u n a jer a r qu ía de esca lon es
u n o por deba jo de los ot r os con secu t iva m en t e. La esca la bilida d en
sist em a s dist r ibu idos su pon e qu e a veces h a y qu e h a cer va r ios
88
Henry Antonio Mendiburu Díaz
r ecu r sos pa r a ello. Si est a m os com pa r t ien do u n fich er o y lo va m os
modificando debe reflejarse a los diferentes usuarios.
Debe poseer y brindar seguridad ante accesos no deseables
Debe poseer y brindar consistencia a la hora de acceder a los datos.
Debe poseer y br in da r t oler a n cia a fa llos. Si t en em os u n sist em a
m u lt iu su a r io, el fa llo de u n u su a r io pu ede h a cer qu e ca iga el sist em a ,
en ca m bio en u n sist em a dist r ibu ido sólo h a r á qu e fa lle don de se
produjo el error ese usuario.
Cu en t a n con t r a n spa r en cia , qu e es la ocu lt a ción qu e se pr opor cion a a l
u su a r io y a los pr ogr a m a dor es de a plica cion es de los r ecu r sos del
sistema.
2. COMUNICACIONES INDUSTRIALES
2.1. GENERALIDADES
La com u n ica ción in du st r ia l se h a ven ido r ea liza n do m edia n t e u n a con exión
física (ca ble) qu e con ect a exclu siva m en t e ca da sen sor o ca da a ct u a dor a su
equ ipa m ien t o de con t r ol, don de la in for m a ción se t r a n sm it e por u n a señ a l
analógica (generalmente 4 20 mA).
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Ah or a se su st it u ye la t r a n sm isión a n a lógica pu n t o a pu n t o por u n a digit a ,
don de los disposit ivos de ca m po (sen sor es y a ct u a dor es) y disposit ivos de
con t r ol com pa r t en u n a ú n ica lín ea bidir eccion a l pa r a t r a n sm it ir in for m a ción
en t r e ellos (Bu s de Ca m po/ F ieldbu s). La s señ a les a n a lógica s son con ver t ida s
a digital en los mismos dispositivos de campo.
La com u n ica ción digit a l, sopor t a da por com pon en t es de h a r dwa r e y soft wa r e,
h a per m it ido im plem en t a r pr est a cion es de gr a n t r a scen den cia en el diseñ o de
los sist em a s de a u t om a t iza ción de pla n t a s, pu dién dose m en cion a r : econ om ía
de ca blea do, pr ogr a m a ción a dist a n cia de los disposit ivos de ca m po, r ecibir
in for m a ción de dia gn ost ico, dist r ibu ir fu n cion es de con t r ol en t r e los
disposit ivos (r ea l con t r ol dist r ibu ido), fa cilida des de su st it u ción y
m odu la r ida d, dispon ibilida d de in for m a ción pa r a m a n t en im ien t o pr edict ivo,
et c. La dist r ibu ción de fu n cion es h a ce m á s con fia ble a l sist em a y dism in u ye
el cost o de los t r a dicion a les disposit ivos de con t r ol cen t r a liza dos com o P Cs o
PLCs, disminuyendo sus capacidades de procesamiento y memoria.
Toda la in for m a ción gen er a da en el pr oceso de fa br ica ción pu ede a h or a
a r ch iva r se en u n a ba se de da t os de pla n t a , la qu e su vez pu ede in t egr a r se con
el sist em a a dm in ist r a t ivo. E st o da lu ga r a la im plem en t a ción de u n a
est r a t egia din á m ica de m a n ejo in t egr a l de per son a s, pr ocesos, in for m a ción ,
est r u ct u r a y t ecn ología pa r a pr opor cion a r u n m ét odo m á s efica z de gest ión y
obtener ventajas competitivas para la empresa.
La com u n ica ción in du st r ia l digit a l com pr en de u n a m plio r a n go de pr odu ct os
de h a r dwa r e, soft wa r e y pr ot ocolos pa r a com u n ica ción en t r e pla t a for m a s
estándar de computación y dispositivos de automatización. La conexión física
se r ea liza a t r a vés de in t er fa ces ser ies n or m a liza da s por la E IA, t a l com o RS232, RS-422 o RS-485.
E st a s n or m a s especifica n sola m en t e la s ca r a ct er íst ica s eléct r ica s del sopor t e
físico de comunicación, pero nada dicen del software necesario para manipular
la información que circula sobre el soporte.
La RS-232 est á lim it a da por la dist a n cia de con exión y velocida d. Ta m bién
esta limitada a la conexión punto a punto entre PC y dispositivos informáticos
como modem , mouse, etc.
La RS-422 t r a ba ja en for m a difer en cia l con la s lín ea s qu e t r a n sm it e y r ecibe,
el cir cu it o t ien e solo dos h ilos sin qu e exist a u n a lín ea de m a sa com ú n . Los
u nos y ceros lógicos se establecen en función de la diferencia de tensión entre
a m bos con du ct or es del cir cu it o. Resu lt a u n a in t er fa se ser ial con u n a gr a n
in m u n ida d a l r u ido y u n a m a yor dist a n cia de con exión a los disposit ivos,
preferible a la interfaces serie RS-232 para operar en las condiciones difíciles
que siempre se presentan en los entornos industriales.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
La RS-485 es u n a leve m odifica ción
de
la RS-422,
r edefin ien do
ca r a ct er íst ica s eléct r ica s pa r a a segu r a r u n n ivel de t en sión a decu a do a la
máxim a ca r ga , in cr em en t á n dose el n ú m er o de disposit ivos de 10 a 32; los que
se con ect a n en pa r a lelo a los dos con du ct or es, sin n ecesida d de m ódem . Con
est a ca pa cida d y u n a a lt a in m u n ida d a l r u ido se pu eden cr ea r r edes de
disposit ivos de a dqu isición de da t os y con t r ol, con ect a dos a u n a sim ple
puerta serie RS-485 de un PC.
2.2. MODELO OSI
P a r a r esolver los pr oblem a s de com pa t ibilida d de con exión y pa r a qu e se
com pr en da n en t r e sí los difer en t es equ ipos qu e in t egr a n la r ed, la ISO
(In t er n a t ion a l St a n da r d Or ga n iza t ion ) cr eo o m odelo o a r qu it ect u r a de
com u n ica ción lla m a da OSI (Open Syst em In t er con n ect ), r epr esen t a da por 7
ca pa s o n iveles, con fu n cion es per fect a m en t e defin ida pa r a ca da u n a , per o sin
establecer como esas funciones son cumplidas en el interior de la capa.
E l m odelo OSI especifica u n m odelo de com u n ica cion es dividido en siet e
n iveles. Ca da n ivel defin e u n con ju n t o de fu n cion es qu e son n ecesa r ia s pa r a
com u n ica r con ot r os sist em a s sim ila r es. Se com u n ica n ú n ica m en t e con los
sist em a s a dya cen t es. Ca da u n o a ñ a de va lor a los n iveles a n t er ior es, h a st a
qu e, el n ivel su per ior ofr ece u n a ba n ico com plet o de ser vicios pa r a la s
aplicaciones de comunicación.
Nivel 1
Ca pa F ísica : Se r efier e a con exion es eléct r ica s y señ a les qu e
per m it en in t er con ect a r los com pon en t es diver sos de u n a r ed: ca ble coa xil,
fibra óptica, par trenzado, medio inalámbrico, etc.
Nivel 2 Ca pa de E n la ce: Se ocu pa de la s t écn ica s pa r a coloca r y r ecoger
los datos en el cable de interconexión. Se subdivide en:
Subnivel-LLC (Logica l Lin k Con t r ol), se r efier e a l con t r ol lógico sobre
la línea.
91
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Subnivel-MCA (Media Access Con t r ol), se r efier e a l m odo de a cceso a
la lín ea y com pr en de t r es sist em a s en vigen cia CSMA/CD, TOKE N
BUS, TOKEN RING.
Nivel 3
Ca pa de Red: Se ocu pa de dir eccion a r y en via r los pa qu et es de
información y redireccionarlos entre redes y/o hardware similar, seleccionando
el camino en base a prioridades y tipo de red.
Nivel 4 Ca pa de Tr a n spor t e: P r opor cion a el t r a n spor t e fia ble de los da t os
ga r a n t iza n do el en vío de pa qu et es, con t r ola n do el for m a t o, or den de sa lida y
llegada de los paquetes, independiente del hardware.
Nivel 5 Ca pa de Sesión : Adm in ist r a la s com u n ica cion es en t r e dos en t ida des
y com pr en de: est a blecim ien t o, m a n t en im ien t o y fin a liza ción de sesion es,
manejando convenciones de nombres y direcciones de red.
Nivel 6 Ca pa de P r esen t a ción : Modifica ción de for m a t os de los da t os en su
paso hacia y desde la red, compatibilizando ficheros, impresoras, plotters, etc.
Nivel 7
Ca pa de Aplica ción : P r est a ser vicios a l u su a r io, com pr en den la
in t er a cción dir ect a con los pr ocesos de a plica ción , m a n eja n do la s
transferencias de ficheros, base de datos, correo electrónico, etc.
2.3. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN
E l pr ot ocolo con st it u ye el con ju n t o de r egla s y con ven cion es en t r e en t es
com u n ica n t es. E l objet ivo es est a blecer u n a con exión en t r e DTE , iden t ifica n do
el em isor y el r ecept or , a segu r a n do qu e t odos los m en sa jes se t r a n sfier a n
correctamente, controlando toda la transferencia de información.
Cada protocolo esta optimizado para diferentes niveles de automatización y en
con secu en cia r espon den a l in t er és de difer en t es pr oveedor es, ca da pr ot ocolo
t ien e u n r a n go de a plica ción , fu er a del m ism o dism in u ye el r en dim ien t o y
aumenta la relación costo/prestación.
Así tenemos:
HART (Highway Addressable Remote Transducer)
E s u n pr ot ocolo de fin es de 1980, qu e pr opor cion a u n a señ a l digit a l qu e se
su per pon e a la señ a l a n a lógica de m edición en 4-20 m A. P er m it e con ect a r
va r ios disposit ivos sobr e u n m ism o ca ble o bu s (Mu lt idr op), a lim en t a ción de
los disposit ivos, m en sa jes de dia gn óst icos y a cceso r em ot o de los da t os del
disposit ivo, sin a fect a r la señ a l a n a lógica de m edición . La m a yor lim it a ción es
92
Henry Antonio Mendiburu Díaz
su velocida d (1200 ba u dios), n or m a lm en t e se pu eden obt en er 2 r espu est a s por
segu n do. La a lim en t a ción se su m in ist r a por el m ism o ca ble y pu ede sopor t a r
hasta 15 dispositivos
MODBUS.
E s u n pr ot ocolo u t iliza do en com u n ica cion es vía m odem r a dio, pa r a cu br ir
gr a n des dist a n cia a los disposit ivos de m edición y con t r ol, com o el ca so de
pozos de pet r óleo, ga s y a gu a . Velocida d a 1200 ba u dios por r a dio y m a yor es
por cable.
DEVICENET
DeviceNet se cen t r a en la ca pa cida d de in t er ca m bio de los disposit ivos a ba jo
cost o, disposit ivos sim ples u sa dos a m en u do en a plica cion es en la in dustria
com o los swit ch es, los sen sor es fot oeléct r icos, los a r r a n ca dor es del m ot or , los
pr ogr a m a s de lect u r a de cla ve de ba r r a s, los m eca n ism os im pu lsor es va r ia bles
de la frecuencia, y los interfaces del operador.
Características:
- Topología física de tipo Basic trunkline-dropline.
- Hasta 64 direcciones de nodos en una sola red.
- Com u n ica ción pr ior iza da peer -to-peer ba sa do en el esqu em a de
arbitraje no destructivo de bits del protocolo CAN.
- Modelo Producto-consumidor para transferencia de datos.
- Distribución de señal y potencia por medio del mismo cable.
- In ser ción de disposit ivos sin n ecesida d de qu it a r la a lim en t a ción de la
red.
- Diseñ o a dicion a l opt o-a isla do t a l qu e los disposit ivos de pot en cia
ext er n os pu eda n com pa r t ir el ca ble del bu s con disposit ivos
alimentados por el bus.
AS-i (Actuador Sensor - Interface)
E s u n bu s de sen sor es y a ct u a dor es bin a r io y pu ede con ect a r se a dist in t os
tipos de controladores lógico
P r ogr a m a ble (P LC), con t r ola dor es n u m ér icos o com pu t a dor es (P C).
El
sist em a de com u n ica ción es bididir eccion a l en t r e u n m a est r o y n odos escla vos.
E st á lim it a do h a st a 100 m et r os (300 m et r os con u n r epet idor ) y pu eden
conectarse de 1 a 31 esclavos por segmentos.
93
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
E l m a est r o AS-i in t er r oga u n escla vo por vez y pa r a el m á xim o n ú m er o t a r da
en t ot a l 5 m seg. E s u n pr ot ocolo a bier t o y h a y va r ios pr oveedor es qu e
suministran todos los elementos para la instalación.
Con st it u ye u n bu s de m u y ba jo cost o pa r a r eem pla za r el t r a dicion a l á r bol de
cables en paralelo
ETHERNET INDUSTRIAL
La a cept a ción m u n dia l de E t h er n et en los en t or n os in du st r ia les y de oficin a
h a gen er a do el deseo de expa n dir su a plica ción a la pla n t a . E t h er n et u t iliza el
pr ot ocolo de en la ce Ca r r ier Sen se/Mu lt iple Access wit h Collision Det ect ion .
Tr a n sm it e los pa qu et es de los da t os en u n a r ed. Ca da n odo de la r ed de
E t h er n et escu ch a dich a t r a n sm isión y ver ifica si es qu e est á dest in a da a
ella . E l n odo qu e cor r espon de a l dir eccion a m ien t o de dest in o del pa qu et e es el
qu e r espon de. Si se det ect a u n a colisión , el n odo det ien e la t r a n sm isión e
intenta nuevamente después de un período aleatorio determinado.
E s im por t a n t e en t en der qu e E t h er n et defin e sola m en t e la ca pa física y n o el
pr ot ocolo. Algu n os ejem plos com u n es de los pr ot ocolos de r ed u sa dos pa r a los
sist em a s de in for m a ción de u so gen er a l son TCP /IP , Net BE UI, IP X/SP X,
UDP, AppleTalk, SNMP, y LAT.
Ventajas:
- Mu ch a s cor por a cion es qu e u t iliza n E t h er n et pa r a su s sist em a s del
n egocio pu eden a pr ovech a r su in fr a est r u ct u r a exist en t e de E t h er n et
t a n t o pa r a n egocios com o pa r a sist em a s de a u t om a t iza ción en la
fabricación.
- La m a yor ía de la s P C t ien en a E t h er n et ya con figu r a da , los sist em a s
operativos comunes trabajan con las tarjetas de Ethernet y TCP/IP.
- Los pr odu ct os de E t h er n et se pr odu cen com er cia lm en t e en volú m en es
muy altos, que da lugar a costes más bajos.
- Usa n do su bn et s dedica dos, se pu ede elim in a r
a plica cion es
in du st r ia les de la r ed del dom in io de la colisión del t r á fico de ot r a r ed,
m ejor a n do a sí el det er m in ism o elim in a n do t r á fico ext r a ñ o de
aplicaciones críticas.
CAN (Control Area Network)
E l CAN es u n a r ed t ipo pr odu ct o/con su m idor , se pu eden con ect a r disposit ivos
en u n bu s ser ia l com ú n en t iem po r ea l y de ba jo cost o, dism in u yen do el t r á fico
del bu s. Cu a lqu ier disposit ivo pu ede pr odu cir o en via r u n m en sa je a cu a lqu ier
otro dispositivo para su uso. Por lo tanto, es posible que un dispositivo auxiliar
en via r la in for m a ción dir ect a m en t e a ot r o disposit ivo a u xilia r sin n in gu n a
interacción de un ordenador principal o de un host.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Se pu ede a lca n za r u n con t r ol m á s segu r o debido a qu e los disposit ivos pu eden
en via r la in for m a ción dir ect a m en t e a ot r os disposit ivos. Un ejem plo ú t il de
est o es u n sen sor del im pa ct o qu e se com u n ica dir ect a m en t e a l sist em a del
bolso del aire (airbag) en un automóvil.
E l ca ble del bu s CAN t a m bién pu ede lleva r la pot en cia pa r a los disposit ivos
del CAN, en ca so de n ecesida d. Un m á xim o de 64 disposit ivos se pu ede
con ect a r con u n a r ed con u n a lon git u d de ca ble t ot a l qu e depen da de la
velocidad usada. Las velocidades se extienden hasta 1 Mb/s.
FIELDBUS (FF - Foundation Fieldbus)
F ieldbu s es u n sist em a de com u n ica ción digit a l bidir eccion a l qu e per m it e la
in t er con exión en r ed de m ú lt iples in st r u m en t os dir ect a m en t e en el ca m po,
r ea liza n do fu n cion es de con t r ol, m on it or eo de pr ocesos y est a cion es de
operación a través de un software de supervisión.
La t ecn ología de F ieldbu s con sist e en la ca pa física , la pila de la s
com u n ica cion es, y la ca pa del u su a r io. E l F ieldbu s n o pon e la s ca pa s en
ejecu ción 3, 4, 5, y 6 del m odelo de OSI por qu e los ser vicios de est a s ca pa s n o
se requieren en una aplicación de control de proceso.
E l F ieldbu s u t iliza dos ca pa s física s, H 1 (31,25 kb/s) est a n da r iza dos por
ISA/IE C (ISA S50.02-1992, IE C 1158-2) y H SE (E t h er n et de a lt a velocida d),
qu e ejecu t a el m ism o pr ot ocolo de F ieldbu s a t r a vés de r edes E t h er n et de 10 o
100 Mb/s.
Características:
-
Comunicación por medio de twisted-pair, y cableado 4-20 mA (H1)
Alim en t a ción sopor t a do por los m ism os dos ca bles de la señ a l,
eliminando la necesidad de fuentes de alimentación externas (H1)
Operación segura, un requerimiento para ambientes difíciles (H1)
Velocidad de transmisión de 10 or 100 Mb/s (HSE)
Basado en TCP/IP y Ethernet
Ot r a ca r a ct er íst ica im por t a n t e de la ca pa de u su a r io del F ieldbu s es la
descr ipción del disposit ivo. Un a descr ipción del disposit ivo (DD) es u n a
descr ipción est a n da r iza da de la s fu n cion es dispon ibles en u n disposit ivo.
Usa n do la DD, el or den a dor pr in cipa l en u n sist em a de con t r ol (por ejem plo,
los Win dows NT-ba sed H MI) pu ede obt en er la in for m a ción n ecesa r ia pa r a
cr ea r la in t er fa z h u m a n a pa r a in t er a ct u a r r ecípr oca m en t e con el disposit ivo
pa r a con figu r a r pa r á m et r os y pa r a r ea liza r la ca libr a ción , el dia gn óst ico, y
otras funciones.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Ven t a ja s y Desven t a ja s: La s a plica cion es se pu eden cr ea r en el F ieldbu s
con ect a n do ju n t a s la s en t r a da s de in for m a ción y la s sa lida s de los bloqu es
fu n cion a les. Adem á s de especifica r cóm o est os bloqu es se com u n ica n u n o con
otro a través del bus, el Fieldbus también especifica cómo programar el tiempo
exa ct o en el cu a l est os bloqu es se ejecu t a n . Debido a la ca pa cida d de
in t er con ect a r diver sa s fu n cion es (in clu so a lgor it m os de con t r ol) qu e r esiden
den t r o de los m ism os disposit ivos, el F ieldbu s del ca m po pr opor cion a
r ea lm en t e a r qu it ect u r a pa r a dist r ibu ir el con t r ol en el ca m po m á s qu e
concentrándolo en controladores centralizados.
PROFIBUS
P ROF IBUS, el F ieldbu s de sist em a a bier t o pr in cipa l en E u r opa , se u t iliza por
t odo el m u n do en la fa br ica ción , pr ocesos y la a u t om a t iza ción de edificios.
PROFIBUS se estandariza en el estándar DIN 19245 y en el estándar europeo
E N 50170. La or ga n iza ción del P ROF IBUS, con u n a m em br esía de m á s de
650 fa br ica n t es, u su a r ios, e in st it u cion es de in vest iga ción , desa r r olla y
a dm in ist r a t ecn ología de P ROF IBUS. Diseñ a do pa r a cu m plir u n a ser ie de
requisitos para aplicación, el PROFIBUS ofrece:
Alt a velocida d, t r a n sm isión de da t os t iem po cr ít ica en t r e los
controladores y los dispositivos de entrada-salida.
- Comunicaciones complejas entre controladores programables.
La fa m ilia de P ROF IBUS con sist e en t r es ver sion es com pa t ibles DP , F MS, y
PA.
PROFIBUS-DP : Se diseñ a pa r a com u n ica cion es de a lt a velocida d,
cost es r en t a bles en t r e los con t r ola dor es in du st r ia les y la en t r a da sa lida dist r ibu ida ; pu ede su st it u ir la t r a n sm isión pa r a lela de la señ a l
por 24 V ó 0 a 20 m A. E n u n a r ed de P ROF IBUS-DP , u n ida des
cen t r a les de pr oceso (por ejem plo P LCs o P Cs) se com u n ica n con
disposit ivos dist r ibu idos de ca m po (por ejem plo la en t r a da -salida,
dr ives y la s vá lvu la s) a t r a vés de u n en la ce ser ia l de a lt a velocida d.
Gr a n pa r t e de la com u n ica ción de da t os con est os disposit ivos
dist r ibu idos ocu r r e de u n a m a n er a cíclica . P ROF IBUS-DP u t iliza la s
ca pa s 1 y 2 y el in t er fa z de u su a r io. La s ca pa s 3 a 7 del m odelo de OSI
no se definen.
PROFIBUS-F MS : Se diseñ a pa r a la com u n ica ción de u so gen er a l
sobr e t odo en t r e los con t r ola dor es pr ogr a m a bles, t a les com o P LCs y
P C. E l F MS con t ien e u n a ca pa de a plica ción con ser vicios de
com u n ica ción qu e per m it en t en er a cceso a va r ia bles, t r a n sm it ir
pr ogr a m a s, y con t r ola r la ejecu ción de pr ogr a m a s, a sí com o t r a n sm it ir
event os. P ROF IBUS-F MS defin e u n m odelo de la com u n ica ción en el
cu a l pr ocesos de a plica ción dist r ibu ida pu eden ser u n ifica dos en u n
proceso común usando relaciones de comunicación.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
PROFIBUS-PA : Diseñ a do específica m en t e pa r a la a u t om a t iza ción de
pr oceso, u t iliza la ca pa física est á n da r del fieldbu s in t er n a cion a l (IE C
1158-2) pa r a los sen sor es a lim en t a dos por bu s y a ct u a dor es oper a dos
en á r ea s segu r a s. P ROF IBUS-P A u t iliza el pr ot ocolo ext en dido de
PROFIBUS-DP pa r a la t r a n sm isión de da t os. Usa n do la ca pa física
del IE C 1158-2, los disposit ivos de ca m po se pu eden a ccion a r a t r a vés
del bu s. Los disposit ivos de P ROF IBUS-P A se pu eden in t egr a r en
redes de PROFIBUS-DP por con el uso de acopladores de segmento.
Entre otros protocolos también podemos citar los siguientes:
WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol)
E s u n a t ecn ología de sist em a a bier t o qu e per m it e u n F ieldbu s en
tiempo real, garantizando la estabilidad del sistema.
ControlNET
Com bin a la fu n cion a lia d de u n a r ed peer -to-peer con u n a r ed de
entrada/salida, brindando alta velocidad en las acciones de control.
InterBUS
Protocolo que permite la transmisión de datos en lazos cerrados
LonWorks
Br in da la posibilida d de a plica cion es com u n es ca pa ces de in t er a r t u a r
entre sí.
LonMark
Protocolo diseñado por LonMark Internacional.
Seriplex
Permite la comunicación entre dispositivos inteligentes.
BACnet
P r ot ocolo de com u n ica cion es de da t os pa r a edificios a u t om a t iza dos y
redes de control.
97
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
3. PROCESAMIENTO DE DATOS EN TIEMPO REAL
3.1. SISTEMAS EN TIEMPO REAL
Sistema en Tiempo Real (RT)
Un sist em a en t iem po r ea l es u n sist em a in for m á t ico qu e In t er a ccion a
r epet ida m en t e con su en t or n o físico, r espon dien do a los est ím u los qu e r ecibe
del mismo dentro de un plazo de tiempo determinado, invariante y constante.
P a r a qu e el fu n cion a m ien t o del sist em a sea cor r ect o n o ba st a con qu e la s
a ccion es sea n cor r ect a s, sin o qu e t ien en qu e ejecu t a r se den t r o del in t er va lo de
tiempo especificado.
Un sist em a de t iem po r ea l debe de ser ca pa z de pr ocesa r u n a m u est r a de
señal antes de que ingrese al sistema la siguiente muestra.
E st os sist em a s r espon den a est ím u los ext er n os den t r o de u n t iem po fin it o y
especifica do, con figu r a n do dir ect a m en t e el pr ocesa dor del com pu t a dor de
for m a t a l qu e la pr ior ida d del sist em a oper a t ivo sea a t en der la s in st r u ccion es
del soft wa r e de t iem po r ea l en los per íodos de t iem po det er m in a dos pa r a t a l
acción.
Sistemas Empotrados
Los sist em a s de t iem po r ea l su elen ser com pon en t es de ot r os sist em a s
m a yor es, en los qu e r ea liza n fu n cion es de con t r ol, t om a n da t os de la s ot r a s
partes del sistema mayor, ejecutan el algoritmo de control y envían las señales
de con t r ol a los elem en t os per t in en t es del sist em a m a yor , en est e ca so, se dice
que se trata de sistemas empotrados (embebidos).
Los sist em a s em pot r a dos t ien en fu n cion es especifica s y defin ida s, r ecu r sos
lim it a dos de m em or ia y pot en cia , por lo gen er a l la a plica ción se ejecu t a desde
ROM
Para modelar un sistema empotrado es necesario:
-
98
Identificar los dispositivos y nodos propios del sistema.
Propor cion a r señ a les visu a les, sobr e t odo pa r a los disposit ivos poco
usuales.
Modela r la s r ela cion es en t r e esos pr ocesa dor es y disposit ivos en u n
diagrama de despliegue.
Si es n ecesa r io h a y qu e det a lla r cu a lqu ier disposit ivo in t eligen t e,
m odela n do su est r u ct u r a en u n dia gr a m a de despliegu e m á s
pormenorizado.
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Un sist em a em bebido es u n sist em a in for m á t ico de u so específico con st r u ido
den t r o de u n disposit ivo m a yor . E n u n a com pu t a dor a por ejem plo se t ien e la
placa madre que es un conjunto de circuitos integrados que pueden agrupar la
m a yor ía de com pon en t es a dem á s de ot r a s t a r jet a s per ifér ica s (video, m odem ,
audio, etc.).
E n gen er a l, se su ele sim plifica r t oda la a r qu it ect u r a del or den a dor o
com pu t a dor a pa r a r edu cir el peso, t a m a ñ o, con su m o de en er gía y los cost os,
sacrificando un poco de velocidad y flexibilidad.
Clasificación de los Sistemas RT:
Tiem po Rea l Du r o (H a r d Rea l Tim e): E s a bsolu t a m en t e im per a t ivo
qu e la r espu est a del sist em a a even t os ext er n os ocu r r a den t r o del
tiempo especificado. Por ejemplo, control de un reactor
Tiem po Rea l Su a ve (Soft Rea l Tim e): Se per m it e qu e se pier da n
oca sion a lm en t e a lgu n a s especifica cion es t em por a les, a u n qu e el
sist em a debe cu m plir la s n or m a lm en t e. P or ejem plo, r epr odu cción de
un CD.
Tiem po Rea l Rea l (Rea l Rea l Tim e): E s u n t iem po r ea l du r o y a dem á s
los tiempos de respuesta deben ser muy cortos.
Tiem po Rea l F ir m e (F ir m Rea l Tim e): E s u n t iem po r ea l su a ve, y
a dem á s el sist em a n o obt ien e ben eficios de la pér dida oca sion a l de
especificaciones temporales.
P r opiet a r ios (com er cia les, a cceso por pa go) y Abier t os (m odifica bles,
estándares).
Centralizados (un sistema central de control) y Distribuidos (múltiples
sistemas de control).
E n u n m ism o sist em a , m edia n t e se soft wa r e se pu ede difer en cia r et a pa s de
compilación en tiempo real suave y duro.
Elementos de un Sistema RT:
Medición : E s el pr oceso de a dqu isición , m on it or eo, u obt en ción de la
información acerca del estado actual del proceso.
Con t r ol: E jecu ción del a lgor it m o de con t r ol de a cu er do a los va lor es
medidos.
Actuación: E n vío de señ a les pa r a a lt er a r el est a do a ct u a l del elem en to
final de control.
Interfaz : Interfaces con de la PC con el operador
99
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Características de un Sistema RT:
Con cu r r en cia : Qu ier e decir qu e est os sist em a s se com pon en de u n
conjunto de actividades las cuales están realizándose en paralelo.
Depen den cia del Tiem po: Se pu eden ejecu t a r t a r ea s en r espu est a a
señales externas o periódicamente.
F ia bilida d y Toler a n cia a F a llos: Deben fu n cion a r a ú n en pr esen cia de
fa llos o a ver ía s pa r cia les (n or m a lm en t e m edia n t e elem en t os
redundantes).
In t er a cción con el H a r dwa r e: P a r a su con exión con el ext er ior .
Interacciones activas y pasivas.
Ma n ipu la ción de Nú m er os Rea les: Adqu ir idos de m edida s del ext er ior
mediante interfaces.
Eficiencia: Es deseable una implementación eficiente.
Ta m a ñ o y Com plejida d: Su elen ser gr a n des y por lo t a n t o es desea ble
usar técnicas modulares.
Requisitos de un Sistema RT:
Brindar fiabilidad: Se debe evitar los errores o fallas en el sistema.
Br in da r segu r ida d: Solo per son a l a u t or iza do debe ser ca pa z de en t r a r
y modificar atributos del programa.
Ser con cu r r en t es: E s decir qu e debe poder ejecu t a r diver sa s a ccion es
en forma paralela.
Ser in t er a ct ivos: Deben ser ca pa ces de m a n eja r h er r a m ien t a s pa r a
manipular parámetros temporales.
Deben ser capaces de macerar dispositivos de entrada/salida.
3.2. SOFTWARE PARA SISTEMAS RT
Lenguaje de programación
Ensambladores:
Son flexibles y eficien t es, per o poco su in t er fa z de pr ogr a m a ción es
poco amigable por lo que la programación es muy propensa a errores.
Por ejemplo: Assembler, lenguaje de máquina, etc.
Lenguajes secuenciales:
Son flexibles y de pr ogr a m a ción m á s sen cilla , per o pa r a r ea liza r
t a r ea s de t iem po r ea l n ecesit a n sopor t e a dicion a l del sist em a
operativo.
Por ejemplo: C++, Pascal, Java, etc.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Lenguajes concurrentes:
E st os len gu a jes est á n or ien t a dos a pr oblem a s de la vida r ea l (en foqu e
orientado a objetos). Pueden ejecutar múltiples tareas paralelamente o
concurrentemente.
Por ejemplo: Ada, Modula II, Java, etc.
Sistemas Operativos
Un sist em a oper a t ivo en t iem po r ea l (RTOS -Rea l Tim e Oper a t in g Syst em ) es
u n sist em a oper a t ivo qu e h a sido desa r r olla do pa r a poder u t iliza r la
computadora en aplicaciones de tiempo real.
La m a yor ía de los sist em a s oper a t ivos r ea liza n su s fu n cion es a t r a vés de la s
tareas:
- Gestión de procesos
- Administración de la memoria
- Organización de la E/S
- Sistema de archivos
P a r a r ea liza r sist em a s de t iem po r ea l se u sa n sist em a s oper a t ivos especia les
que cumplan con los requisitos:
- Concurrencia
- Temporización
- Planificación determinista
- Manejadores de dispositivos
Los RTOS más comunes son: LynxOS, QNX, RT-Linux, entre otros.
3.3. CONTROL EN TIEMPO REAL
E l diseñ o de u n con t r ola dor en t iem po r ea l con sist e en im plem en t a r la s
fu n cion es m a t em á t ica s cor r espon dien t es a l a lgor it m o de con t r ol desea do,
u sa n do el soft wa r e y el sist em a oper a t ivo RT a decu a do pa r a el pr oceso qu e se
desea controlar.
Factores a tener en cuenta:
- Con cu r r en cia o pa r a lelism o pot en cia l, es decir la ejecu ción de
múltiples procesos.
- Escoger el software adecuado para la implementación del algoritmo.
- Sincronización: E s la sa t isfa cción de con dicion es de in t er depen den cia
en la acción de diferentes procesos.
- Comunicación entre procesos, dispositivos, y computadora.
101
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
E l sist em a de con t r ol r espet a t odos los com pon en t es de u n sist em a de con t r ol
a u t om á t ica , con la difer en cia qu e la a dqu isición de da t os, la ejecu ción del
algoritmo de control, y el envío de señales al actuador, son realizados en forma
periódica en base a interrupciones y ejecución simultánea de tareas.
Ta m bién es im por t a n t e con ocer el pr oceso y la for m a com o in t er a ct ú a con su
medio externo, puede ser:
- In depen dien t e, n o n ecesit a com u n ica r se n i sin cr on iza r se con ot r os
procesos.
- Cooper a n t e, se com u n ica y sin cr on iza su s a ct ivida des con ot r os pa r a
realizar una tarea en común.
- Com pet it ivo, t a m bién n ecesit a com u n ica ción y sin cr on iza ción pa r a
hacer uso adecuado de los recursos compartidos del sistema.
P a r a en via r y r ecibir da t os se n ecesit a de in t er r u pcion es . La s in t er r u pcion es
son la for m a m á s com ú n de pa sa r in for m a ción desde el m u n do ext er ior a l
pr ogr a m a . E n u n sist em a de t iem po r ea l est a s in t er r u pcion es pu eden
in for m a r difer en t es even t os com o la pr esen cia de n u eva in for m a ción en u n
pu er t o de com u n ica cion es, de u n a n u eva m u est r a de a u dio en u n equ ipo de
son ido o de u n n u evo cu a dr o de im a gen en u n a videogr a ba dor a digit a l. P a r a
que el programa cumpla con su cometido de ser tiempo real es necesario que el
sist em a a t ien da la in t er r u pción y pr ocese la in for m a ción obt en ida a n t es de
que se presente la siguiente interrupción.
4. BUS DE COMUNICACIONES PARA INSTRUMENTACION
La s t a r jet a s de a dqu isición de da t os se pu eden con ect a r a la com pu t a dor a a
t r a vés de los pu er t os ser ia l o pa r a lelo de la P C, o por el pu er t o USB, o
in ser t á n dolo en u n o de los slot s de la t a r jet a de m a dr e, o m edia n t e u n
adaptador que acondiciones un puerto para hacerlo compatible con otro.
102
Henry Antonio Mendiburu Díaz
E l bu s es u n su bsist em a qu e t r a n sfier e da t os (señ a les eléct r ica s digit a liza da s)
en t r e com pon en t es de la com pu t a dor a , den t r o de est a o h a cia ot r a s
computadoras o dispositivos inteligentes. A diferencia de una conexión puntoa -punto, un bus puede conectar mediante lógica varios periféricos utilizando el
mismo medio de comunicación.
Los buses pueden ser:
Bu s de Da t os: Tr a n sfier e (leer / escr ibir ) in for m a ción en t r e los
dispositivos físicos o hardware.
Bu s de Dir eccion es: Alm a cen a da t os en la m em or ia du r a n t e la
ejecu ción de pr ocesos de cóm pu t o. E st a blece el n ú m er o de u bica cion es
o direcciones que puede alcanzar el microprocesador.
Bu s de Con t r ol: E l Bu s de Con t r ol t r a n spor t a señ a les de est a do de la s
operaciones efectuadas por el CPU con las demás unidades.
Un slot es a qu ella r a n u r a de expa n sión o pu er t o de expa n sión qu e per m it e
conectar una tarjeta adicional en la tarjeta madre, estas tarjetas de expansión
son insertadas incrementando las funciones de la computadora. Arquitectura
Bus de comunicaciones utilizados para insertar DAQs :
4.1. ARQUITECTURA ISA
Industry Standard Architecture (Arquitectura Estándar Industrial)
E l slot ISA es u n a a r qu it ect u r a de bu s a n t igu a , u t iliza do en los pr ocesa dor es
In t el 8088 y In t el 80286 en a dela n t e, h a st a qu e en el a ñ o 2000 fu e
reemplazada por la arquitectura PCI. Su color suele ser negro
P osee dos ver sion es: la ver sión de 8 bit s a lca n za u n a velocida d de 4.77 MH z y
la ranura mide 8.5cm, la versión de 16 bits alcanza una velocidad de 8.33 Mhz
y la ranura mide 14cm.
4.2. ARQUITECTURA PCI
P er iph er a l Com pon en t
Periféricos)
In t er con n ect
(In t er con exión
de
Com pon en t es
E l slot P CI se t r a t a de u n bu s de or den a dor est á n da r pa r a con ect a r
disposit ivos per ifér icos dir ect a m en t e a su pla ca ba se. P er m it e con figu r a ción
din á m ica de u n disposit ivo per ifér ico. P r opor cion a u n a descr ipción det a lla da
de todos los dispositivos PCI conectados.
103
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Su ele ser de color bla n co. E l bu s pu ede ser de 32 bit s o 64 bit s. Tien e u n a t a sa
de t r a n sfer en cia m á xim a de 133 Mbyt es por segu n do. P osee u n r eloj de 33
Mhz.
Algu n a s m odifica cion es a la a r qu it ect u r a P CI es el PCI-Express. E l cu a l es u n
n u evo desa r r ollo del bu s P CI qu e u sa los con cept os de pr ogr a m a ción y los
est á n da r es de com u n ica ción exist en t es, per o se ba sa en u n sist em a de
comunicación serie mucho más rápido.
4.3. PUERTO USB
Universal Serial Bus (Bus serial universal)
E s u n bu s de com u n ica ción t ipo ser ia l, t ien e u n diseñ o a sim ét r ico, qu e
consist e en u n solo ser vidor y m ú lt iples disposit ivos con ect a dos en u n a
est r u ct u r a de á r bol u t iliza n do con cen t r a dor es especia les. Se pu eden con ect a r
hasta 127 dispositivos a un solo servidor.
E l est á n da r in clu ye la t r a n sm isión de en er gía eléct r ica a l dispositivo
con ect a do. Algu n os disposit ivos r equ ier en u n a pot en cia m ín im a , a sí qu e se
pueden conectar varios sin necesitar fuentes de alimentación extra.
Mejor a r la s ca pa cida des plu g-and-pla y (h a bilida d de poder in st a la r y
desin st a la r disposit ivos)
per m it ien do qu e los disposit ivos pu eda n ser
con ect a dos o descon ect a dos a l sist em a sin n ecesida d de r ein icia r , cu a n do se
con ect a u n n u evo disposit ivo, el ser vidor lo en u m er a y a gr ega el soft wa r e
necesario para que pueda funcionar.
Un a ext en sión del USB lla m a da "USB-On-The-Go", per m it e a u n pu er t o
a ct u a r com o ser vidor o com o disposit ivo - est o se det er m in a por qu é la do del
cable esta conectado al aparato. Incluso después de que el cable está conectado
y la s u n ida des se est á n com u n ica n do, la s 2 u n ida des pu eden "ca m bia r de
papel" bajo el control de un programa.
Ot r a ext en sión es el Wir eless USB (WUSB), qu e bu sca com bin a r la velocida d
y la segu r ida d de la t ecn ología ba sa da en ca bles con la fa cilida d de u so de la
t r a n sfer en cia in a lá m br ica de da t os. WUBS ofr ece u n a n ch o de ba n da de 480
Mb/seg a tres metros de distancia y 100 Mb/seg a 10 metros.
4.4. PUERTO PCMCIA
P er son a l Com pu t er Mem or y Ca r d In t er n a t ion a l Associa t ion (Asocia ción
Internacional de Tarjetas de Memoria para Computadoras Personales)
104
Henry Antonio Mendiburu Díaz
E l pu er t o P CMCIA es u t iliza do pa r a in ser t a r t a r jet a s del est á n da r P CMCIA
(desa r r olla do por u n a a socia ción in t er n a cion a l de fa br ica n t es de h a r dwa r e
pa r a com pu t a dor a s por t á t iles). E l pu er t o es em plea do en la s com pu t a dor a s
por t á t iles pa r a expa n dir la s ca pa cida des de m em or ia , r ed, ca pt u r a de video,
ampliar puertos, etc.
La s t a r jet a s P CMCIA de 16 bit s pu eden r ecibir el n om br e de P C Ca r d y la s de
32 bits el de CARD BUS.
4.5. ARQUITECTURA CompactPCI (cPCI)
Se t r a t a del bu s P CI a da pt a do a a plica cion es em bebida s y/o in du st r ia les. E s
compa t ible elect r ón ica m en t e con P CI y cu en t a con com pon en t es m ecá n icos y
tecnologías de conexión de estándar industrial.
La s t a r jet a s cP CI est á n ba sa da s en el est á n da r in du st r ia l E u r oca r d, en
t a m a ñ os de 3U y 6U. E l 3U es el t a m a ñ o m ín im o pa r a cP CI y t ien e lo
n ecesa r io pa r a a com oda r se a l bu s cP CI de 64 bit s. La ext en sión 6U se defin e
pa r a cu a n do se r equ ier a m a s espa cio en la pla ca o se n ecesit en m a s espa cio
para conexiones.
E l diseñ o del con ect or es u n a de la s ca r a ct er íst ica s m á s im por t a n t es de est a
arquitect u r a , se n u m er a n J 1 J 5 com en za n do desde el con ect or de m á s a ba jo.
La especifica ción defin e la loca liza ción pa r a t odos est os con ect or es per o la
asignación de señal de los pines solo para J1 y J2.
Su fu n ción es la de fija r con fir m eza la t a r jet a en su ba se y h a bilit a r la
conexión de alimentación de energía, el sistema de tierras y conducir todas las
señ a les P CI de 32 y 64 bit s. E l diseñ o del con ect or t a m bién per m it e qu e se
pu eda u t iliza r com pon en t es cP CI en a m bien t es con gr a n des in t er fer en cia s
electromagnét ica s, y se evit en fa lsos con t a ct os cu a n do el sist em a se en cu en t r e
sujeto a vibraciones.
4.6. ARQUITECTURA PC/104
La a r qu it ect u r a P C/104 ó P C104 es u n est á n da r de or den a dor em bebido qu e
defin e el for m a t o de la pla ca ba se y el bus del sist em a . A difer en cia de la
clá sica a r qu it ect u r a ATX y bu s P CI qu e son u sa dos en la m a yor ía de los
ordenadores personales, el PC/104 está diseñado para aplicaciones específicas,
como adquisición de datos o sistemas de control industrial.
La a r qu it ect u r a de la pla ca ba se n o es la t ípica pla ca de cir cu it os in t egr a dos
(ba ckpla n e) en el qu e va n in ser t a dos los com pon en t es; en lu ga r de eso, los
com pon en t es se en cu en t r a n en m ódu los qu e son a pila dos u n os en cim a de
otros.
105
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
E l t a m a ñ o est á n da r es de 90.17 m m × 95.89 m m . La a lt u r a depen de del
número de módulos conectados.
4.7. PUERTO SERIAL Y PUERTO PARALELO
El pu er t o ser ia l es u n a in t er fa z de com u n ica cion es en t r e la com pu t a dor a y los
disposit ivos per ifér icos, en don de la in for m a ción es t r a n sm it ida bit por bit ,
en via n do u n solo bit a la vez en for m a secu en cia l, sigu ien do u n pr ot ocolo de
transmisión / recepción definido.
Los puertos seriales más comunes son:
E l RS-232, u t iliza do pa r a el en vió de da t os bin a r ios, con st a de dos
h ilos en com u n ica ción h a lf du plex. Tien e dos ver sion es, u n a de 25
pines que emplea un conector tipo DB-25, y otra versión de 9 pines que
emplea un conector tipo DB-9.
E l RS-485 (E IA-485), es pa r ecido a l RS-422, per o solo u sa 2 h ilos en
comunicación half duplex. Es posible adaptarlo al RS-232
E l RS-422 (E IA-422), con st a de 4 h ilos con t r a n sm isión fu ll du plex y
lín ea difer en cia l. La com u n ica ción difer en cia l per m it e u n a m a yor
velocida d qu e el RS-232 per m it ien do h a st a 10Mbit s/s. P er m it e qu e la
PC controle por el mismo bus hasta 10 dispositivos.
E l pu er t o pa r a lelo es u n a in t er fa z en t r e u n or den a dor y u n per ifér ico cu ya
principal característica es que los bits de datos viajan juntos enviando un byte
completo o más a la vez. Es decir, se implementa un cable o una vía física para
cada bit de datos formando un bus.
Aplica n do el E st á n da r IE E E 1284-1994, se con sigu e u n a com u n ica ción de a lt a
velocida d y bidir eccion a l en t r e la P C y los disposit ivo ext er n os, en m oda lida d
half duplex.
E l pu er t o pa r a lelo pu ede t r a ba ja r en m odo E P P (P u er t o P a r a lelo E xt en dido) o
en m odo E CP (P u er t o de Ca pa cida des E xt en dida s). E l m odo a decu a do pa r a
conectar tarjetas de adquisición de datos es el EPP.
4.8. IEEE-488 GPIB
General Purpose Interface Bus (Bus Interfase para Propósitos Generales)
106
Henry Antonio Mendiburu Díaz
La em pr esa H ewlet t -P a cka r d en 1965 diseñ ó la in t er fa z H P -IB (H ewlet t P a cka r d In t er fa ce Bu s) pa r a con ect a r su lín ea de in st r u m en t os pr ogr a m a bles
a su s com pu t a dor a s. Debido a su a lt a velocida d de t r a n sfer en cia n om in a l
(1Mbyt e/s), est e bu s in cr em en t ó su popu la r ida d r á pida m en t e. A los diez a ñ os
de su creación, este bus fue aceptado como estándar (IEEE-488).
Con el fin de m ejor a r el bu s a n t er ior , H P ela bor ó en 1987 u n n u evo est á n da r ,
el ANSI/IE E E 488.2, qu e in cor por a ba u n a defin ición pr ecisa del pr ot ocolo de
com u n ica cion es en t r e in st r u m en t os y P C. E l est á n da r IE E E 488.2 defin e los
formatos de datos, el protocolo de intercambio de mensajes entre controlador e
instrumento, las secuencias de control y la información de estado.
La em pr esa Na t ion a l In st r u m en t s decidió expa n dir el u so del bu s IE E E 488 a
or den a dor es fa br ica dos por ot r a s fir m a s m edia n t e la in clu sión de la
cor r espon dien t e t a r jet a o m ódu lo a m odo de in t er fa z en t r e el or den a dor y los
in st r u m en t os a con t r ola r . E st a em pr esa ot or gó a l bu s la den om in a ción GP IB
(General Purpose Interface Bus)
E l n ú m er o m á xim o de equ ipos in t er con ect a bles es de 15 in st r u m en t os
con ect a dos a u n solo con t r ola dos, pr opor cion a n do u n a com u n ica ción pa r a lela
de 8 bits.
La lon git u d m á xim a de t r a n sm isión sobr e ca bles de in t er con exión es de 20
m et r os, con u n lím it e de 4 m et r os en t r e dos disposit ivos cu a lesqu ier a . La
velocida d m á xim a de t r a n sm isión de da t os es de 1 Mbyt e/s, y pa r a la señ a l de
control es de 350 Kbytes/s.
La conexión de los equipos al bus GPIB se hace mediante una topología de bus
de lín ea com pa r t ida , es decir , com pa r t ien do la s lín ea s de la señ a l. Se pu eden
en via r m en sa jes dir igidos a l in t er fa z (m en sa jes de con t r ol de in t er és gen er a l)
y m en sa jes dir igidos a l in st r u m en t o (com a n do específicos de ca da
instrumento).
Los disposit ivos GP IB se con ect a n , t ípica m en t e, m edia n t e u n ca ble
a pa n t a lla do qu e con st a de 24 con du ct or es, cor r espon dien t es a 16 lín ea s de
señ a l y 8 t ier r a s (6 pa r es t r en za dos pa r a : DAV, NRF D, NDAC, IF C, SRQ y
ATN; una masa analógica y otra digital). Las líneas de señal van asociadas a 8
lín ea s de da t os, 3 lín ea s de h a n dsh a ke (pr ot ocolo) pa r a el con t r ol a sín cr on o de
la t r a n sfer en cia de byt es, a fin de obvia r er r or es de t r a n sm isión y 5 lín ea s de
gest ión del flu jo de in for m a ción a t r a vés de la interfaz (pa r a la com u n ica ción
entre el controlador y el resto de dispositivos).
Los equ ipos con ect a dos a l bu s, deben ser ca pa ces de, en u n a s oca sion es,
transmitir la información (talker), y en otras, recibirla (listener). El encargado
de in dica r la fu n ción de los in st r u m en t os en ca da m om en t o es el con t r ola dor
(controller) del sistema a través del direccionamiento.
107
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
A fin de com bin a r a l IE E E 488.2, el len gu a je de sist em a s pa r a t est y m edida
(TMSL) de H ewlet t -P a cka r d y el for m a t o de in t er ca m bio de da t os a n a lógicos
(ADIF ) de Tekt r on ix, en 1990 se ela bor ó el ú lt im o gr a n est á n da r de la
in du st r ia de la in st r u m en t a ción , el SCP I (St a n da r d Com m a n ds for
Programmable Instruments).
E l n u evo len gu a je SCP I sim plificó la pr ogr a m a ción de los in st r u m en t os, t a n t o
a fa br ica n t es com o a u su a r ios fin a les, a l n o t en er qu e con ocer difer en t es
con ju n t os de in st r u ccion es segú n el t ipo de in st r u m en t o. E st os son
in t er ca m bia bles en t r e lín ea s de pr odu cción y en t r e fa br ica n t es, por lo qu e el
mantenimiento también es mucho más simple.
4.9. BUS VXI
VME eXt en sion s
Instrumentación)
for
In st r u m en t a t ion
(E xt en sion es
de
VME
pa r a
La in t er fa z VXI se pr esen t a com o u n a pla t a for m a qu e a pr ior i com bin a lo
mejor de los sistemas basados en tarjetas de adquisición de datos (velocidad) y
de los sist em a s GP IB (fa cilida d de u so, en t r e ot r os) in cor por a n do n u evos
a licien t es t a les com o m en or cost e qu e GP IB, m en or t a m a ñ o, m a yor pr ecisión
en la t em por iza ción y sin cr on iza ción , u t iliza ción de u n ba ckpla n e (pla ca
m a dr e) ba sa do en el bu s de Mot or ola VME , a sí com o m a yor fa cilida d de
programación.
Posee una arquitectura multiprocesador, modular y fácilmente reconfigurable,
posee h er r a m ien t a s est ilo GP IB, con velocida des de t r a n sfer en cia eleva da s y
ca pa cida d de m em or ia com pa r t ida , de for m a qu e fa cilit a la a dqu isición y
procesado de múltiples canales en tiempo real.
P u ede con t r ola r h a st a 256 disposit ivos in clu idos en u n o o m á s su bsist em a s,
ca da su bsist em a pu ede t en er h a st a 13 m ódu los. F u n cion a a 32 bit s, a u n a
velocidad de 132Mb/sec.
E l VXI u sa u n ch a sis pr in cipa l (r a ck de expa n sión ) con u n m á xim o de 13 slot s
pa r a a lber ga r in st r u m en t os m odu la r es sobr e t a r jet a s. Al est a r sopor t a da s
t oda s la s t a r jet a s-in st r u m en t os en u n ba ckpla n e (pla ca m a dr e) VME , t a m bién
se pu eden u sa r t a r jet a s o m ódu los VME en los sist em a s VXI. La P C est a r á
dotada de una placa a modo de interfaz que permitirá comunicarse con el rack
qu e con t ien e la s t a r jet a s VXI pa r a seleccion a r u n in st r u m en t o, a sign a r le su
función (emisor, receptor) o simplemente, conocer su estado.
108
Henry Antonio Mendiburu Díaz
4.10. OTRAS ARQUITECTURAS Y BUSES
VMEbus
E s u n bu s de com u n ica cion es pa r a com pu t a dor a s ba sa do en el est á n da r de
t a m a ñ os de la E u r oca r d, fu e desa r r olla do por Mot or ot a pa r a a plica cion es
industriales.
CAMAC
(Computer Automated Measurement and Control)
E s u n bu s con cebido pa r a a dqu isición de da t os y con t r ol, u t iliza do en la
industria. Puede ser utilizado en una red de fibra óptica.
IrDA
(Infrared Data Association)
Media n t e los est á n da r es Ir DA es posible t r a n sm it ir y r ecibir in for m a ción
m edia n t e r a yos in fr a r r ojos. Sopor t a n u n a a m plia ga m a de disposit ivos
eléct r icos, in for m á t icos y de com u n ica cion es, per m it e la com u n ica ción
bidir eccion a l en t r e dos ext r em os a velocida des qu e oscila n en t r e los 9.600 bps
y los 4 Mbps.
OPC
(OLE for Process Control)
E s u n est á n da r de com u n ica ción en el ca m po del con t r ol y su per visión de
pr ocesos. P er m it e qu e difer en t es fu en t es de da t os en víen da t os a u n m ism o
ser vidor OP C, a l qu e a su vez podr á n con ect a r se difer en t es pr ogr a m a s
com pa t ibles con dich o est á n da r . De est e m odo se elim in a la n ecesida d de que
t odos los pr ogr a m a s cu en t en con dr iver s pa r a dia loga r con m ú lt iples fu en t es
de datos, basta que tengan un driver OPC.
Bluetooth
E s u n con ju n t o de n or m a s qu e defin en u n est á n da r globa l de com u n ica ción
in a lá m br ica qu e posibilit a la t r a n sm isión de voz y da t os en t r e difer en t es
equipos mediante un enlace por radiofrecuencia.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
PXI
(PCI eXtensions for Instrumentation)
E s u n a pla t a for m a diseñ a da por Na t ion a l In st r u m en t s, ba sa da en la
a r qu it ect u r a Com pa ct P CI, diseñ a da pa r a equ ipos de m edición elect r ón icos,
sist em a s de a u t om a t iza ción , com pu t a dor a s in du st r ia les. P osee u n soft wa r e
propio para el manejo del sistema.
FireWire
E l IE E E 1394 o F ir eWir e o i.Lin k es u n est á n da r m u lt ipla t a for m a pa r a
en t r a da /sa lida de da t os en ser ie a gr a n velocida d. Su ele u t iliza r se pa r a la
interconexión de dispositivos digitales
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Capítulo VI
H ARDWARE Y SOF TWARE P ARA
INSTRUME NTACIÓN VIRTUAL
1. HARDWARE PARA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL
1.1. COMPUTADORAS INDUSTRIALES
La s especifica cion es qu e se pu eden en con t r a r son la a r qu it ect u r a , m odelo de
pr ocesa dor , velocida d, disco du r o, m em or ia , pu er t os de com u n ica cion es,
soft wa r e, fu en t e de a lim en t a ción , ca pa cida d de expa n sión , t a r jet a s de
a dqu isición de da t os in clu ida s, m odelo físico, dim en sion es, peso, ser vicio
técnico, garantía, accesorios y periféricos, etc.
La s especifica cion es t écn ica s pa r a la s P Cs com u n es son sim ila r es a la s
com pu t a dor a s ser vidor , con la difer en cia de qu e son m en os pot en t es
tecnológicamente.
Se pueden tener diferentes tipos de PCs, por ejemplo:
111
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Computadoras Servidor Industriales para montaje en racks (tableros, paneles,
ranuras)
Computadoras Industriales para montaje en racks (tableros, paneles,
ranuras)
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Laptop Industrial
Mini Computadoras y/o PC modelo Box (cuadrado)
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Computadora-Panel (pantalla touchscreen)
114
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Accesorios (monitor, teclado, cables, etc.)
1.2. PUERTOS DE COMUNICACIONES
Se pu ede t en er t a r jet a s de expa n sión pa r a in cr em en t a r el n ú m er o de pu er t os
pa r a lelos y/o ser ia les, por lo gen er a l se coloca n en slot s P CI, per o exist en
diver sa s com bin a cion es. E n la s especifica cion es podem os t en er el t ipo de bu s
115
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
de com u n ica cion es qu e a cept a , la ca n t ida d de sa lida s, ca r a ct er íst ica plu g-andpla y, sist em a oper a t ivo, r espu est a a con dicion es a m bien t a les, a daptabilidad,
etc.
Puertos Paralelos EPP
Puerto Serial RS-232
Conversor de USB a RS-232
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
RS-232 para puerto PCMCIA
Ethernet + RS-232
Puerto GPIB
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Puerto Serial + Puerto Paralelo
Puerto Serial RS-422 / RS-485
RS-422/485 para puerto PCMCIA
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
RS-422/485 para puerto cPCI
Convertidor RS-232 a Fibra Óptica
Multipuerto
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Multipuerto
Inalámbrico
1.3. SENSORES Y DAQs
La com bin a ción de u n sen sor con su pr opia t a r jet a de a dqu isición de da t os
brin da u n a con dicion a m ien t o de señ a l y ca lida d de da t os obt en idos, qu e
superan a los datos recogidos con instrumentos independientes.
La desven t a ja es qu e n o exist e flexibilida d pu est o qu e el pa qu et e est a
diseñado para trabajos muy específicos.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
E n t r e la s especifica cion es t écn ica s podem os cit a r , el t ipo de sen sor , la va r ia ble
física a m edir , el bu s de com u n ica ción a la P C, fu en t e de a lim en t a ción ,
soft wa r e de a dqu isición , a la r m a s, a dem á s de la s especifica cion es pr opia s del
tipo de sensor.
Com o ejem plos de sen sor es cu ya sa lida se con ect a dir ect a m en t e a u n a DAQ
tenemos los siguientes:
Acelerómetros
Humedad
Celda de carga
Presión
Proximidad
(ultrasonido, infrarojo)
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
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RTDs, Termocuplas
Nivel
Flujo
pH
Henry Antonio Mendiburu Díaz
1.4. TARJETAS DE ADQUISICIÓN
Cu a n do se t r a t a de m odelos de t a r jet a s de a dqu isición de da t os, est a s exist en
en todas las formas y casi para todas las aplicaciones posibles.
Se pu eden ca t a loga r por el t ipo de bu s de com u n ica cion es (USB, P XI, P CI,
ISA, P CMCIA, et c.), por el t ipo de sist em a oper a t ivo (Win dows, Lin u x, Ma c,
et c.), por el t ipo de com pu t a dor a don de se con ect a r á (P C in du st r ia l, P C
n or m a l, pocket P C, et c.), por ca r a ct er íst ica s t a les com o n ú m er o y t ipo de
ca n a les de en t r a da / sa lida , con t a dor es, t im er s, m em or ia , com pa t ibilida d,
fu n cion a bilida d, et c., de a cu er do a l t ipo de sen sor o da t o m edido qu e ser á
r ecibido (t er m ocu pla s, a celer óm et r os, m a n óm et r os, et c.), o sim plem en t e
pu eden ser ca t a loga da s segú n el m odelo dispu est o por ca da fa br ica n t e, en t r e
otras.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
1.5. DISPOSITIVOS ADICIONALES
P odem os t en er elem en t os a dicion a les t a les com o a con dicion a dor es de señ a l,
con ver sor es A/D, fu en t es de a lim en t a ción , bor n er a s, m odem in a lá m br ico,
cables, conectores, armarios, tableros, leds, etc.
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Acondicionadores de Señal
Modem Inalámbrico
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Conversores A/D
Fuente de Alimentación
Borneras
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
2. SOFTWARE PARA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL
Soft wa r e es a qu el com pon en t e in t a n gible qu e per m it e el fu n cion a m ien t o de
u n a com pu t a dor a , es u n con ju n t o de pr ogr a m a s, a lgor it m os y pr ocedim ien t os
necesarios para hacer posible la realización de una aplicación informática.
Un soft wa r e pa r a in st r u m en t a ción vir t u a l ser á a qu el con ju n t o de pr ogr a m a s
cu ya a plica ción in for m á t ica es la de a dqu ir ir , pr ocesa r , a n a liza r , a lm a cen ar,
visu a liza r , da t os pr oven ien t es de ca m po t om a dos por h a r dwa r e de
in st r u m en t a ción vir t u a l. P er m it ien do desa r r olla r sist em a s de con t r ol,
supervisión y automatización.
E xist e u n a ext en sa list a de com pa ñ ía s fa br ica n t es de soft wa r e pa r a
a dqu isición de da t os, los pr in cipa les podr ía n ser Cyber Tools, Da syLa b,
La bView y Ma t la b Sim u lin k, por su com pa t ibilida d con ot r os fa br ica n t es, su
variada gama de aplicaciones, y su extensa popularidad.
2.1. CYBER TOOLS
E st e pa qu et e es u n con ju n t o de h er r a m ien t a s pa r a desa r r ollo de sist em a s de
con t r ol y m on it or eo con P Cs en en t or n o Win dows, desa r r olla do por SCM
International.
CyberTools es u n a h er r a m ien t a flexible y poder osa pa r a la im plem en t a r
sist em a s de r ecolección y m a n ejo de da t os. Les per m it e a cien t íficos,
ingenieros, in vest iga dor es, t écn icos y dem á s in t er esa dos, a u t om a t iza r la s
t a r ea s de ca pt u r a de da t os, m edicion es a u t om á t ica s, o con t r ol de pr ocesos por
m edio de pr ogr a m a ción a m iga ble en u n en t or n o or ien t a do a objet os y de
programación visual de pantallas y paneles, en entorno Windows.
127
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Entre los paquetes que conforman este software tenemos:
Cyber View: E s u n a h er r a m ien t a pa r a la pr ogr a m a ción visu a l de
ven t a n a s de in t er fa se y m on it or eo pa r a desa r r olla r a plica cion es de
instrumentación virtual.
MicroLab: P er m it e ela bor a r ven t a n a s de osciloscopio, r egist r a dor es,
a lm a cen a m ien t o y ext r a cción de da t os, bloqu es de a dqu isición de
datos. Permite editar sus propios controles, paneles, listas, etc.
Dba se Cyber Tools: P er m it e a cceder a ba ses de da t os por m edio de
com a n dos SQL, pu dien do a ct u a liza r , leer , elim in a r , bu sca r y ot r a s
oper a cion es m a s sobr e r egist r os y ca m pos de ba ses de da t os. P osee dos
clases de bloques: de entrada para escribir un comando de selección de
a r ch ivo, r egist r o y con dicion a les y el da t o cor r espon dien t e a l ca m po
seleccion a do ser á pu est o a la sa lida del bloqu e; y de sa lida pa r a
seleccion a r el ca m po a a ct u a liza r y a u t om á t ica m en t e est e ser á
actualizado con el valor presente a la entrada del bloque.
Cyber Tools Repor t er : P er m it e gen er a r r egist r os pa r a
importarlos a alguna planilla de cálculos, como ser Excel.
lu ego
IPControl: Desa r r olla r a sist em a s qu e podr á n ser m on it or ea dos desde
In t er n et o in t r a n et . Com bin a do con ot r os opcion a les se con vier t e en
u n a gr a n h er r a m ien t a pa r a con t r ol in du st r ia l, m edicin a , con t r ol de la
pr odu cción , dem ót ica , sist em a s de segu r ida d, et c. Cu a lqu ier va r ia ble
del sist em a podr á est a r dispon ible en u n a pá gin a del ser vidor a l
a cceso de los u su a r ios qu e podr á n a cceder a la m ism a por m edio de
links desde otras páginas o sitios.
Cyber Comm: Permite convertir la PC en una estación de mediciones y
a dqu isición de da t os a sin cr ón icos. P er m it e cr ea r bloqu es pa r a
con su lt a r con t r ola dor es, m icr ocon t r ola dor es, in st r u m en t a l, m odem s,
et c. Im plem en t a r sist em a s qu e r equ ier a n com u n ica ción con ot r os
disposit ivos con t r a n sm isión de da t os en for m a ser ia l, pu dien do ser
est a s del t ipo: pu n t o a pu n t o o Net wa r e. E n a m bos ca sos el u su a r io
con figu r a r a pr ot ocolos pa r a t r a n sm isión de da t os, con su lt a a u t om á t ica
128
Henry Antonio Mendiburu Díaz
a con t r ola dor es, a dm in ist r a ción y con su lt a de disposit ivos con ect a dos
en red.
Cyber Com m pa r a P LCs: P er m it e con t r ola r , m on it or ea r , m odifica r y
con su lt a r : en t r a da s, sa lida s, r eles, t im er s, con t a dor es, secu en cia dor es,
etc., de la línea de PLCs del fabricante.
Cyber Com m Min iSSC: P er m it e r ea liza r m edicion es de ca m po, leer
secu en cia s de disco, gen er a r sist em a s de decisión lógica , in t egro
difer en cia les, leer señ a les de ca m po, y com pon er t odo ello en u n
sist em a qu e in t er a ccion e con ser vom ot or es y ot r a s a plica cion es del
fabricante.
2.2. DASYLAB
E s u n a h er r a m ien t a de a n á lisis gráfico in t er a ct ivo qu e per m it e desa r r olla r
a plica cion es de a dqu isición , con t r ol, sim u la ción y r egist r o; es desa r r olla da por
DasyLab Inc.
La pr ogr a m a ción es sim ple, seleccion a n do m ódu los de fu n cion es desea dos y
posicion á n dolos en el en t or n o de t r a ba jo, post er ior m en t e se con figu r a n t a r ea s
y se en la za n los m ódu los. Ta m bién per m it e in t egr a ción con Ma t la b, E xcel, y
otras aplicaciones de Windows.
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INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
DASYLa b es lo su ficien t em en t e flexible pa r a cu br ir cu a lqu ier n ecesida d, m á s
de 250 t a r jet a s y sist em a s de a dqu isición de da t os son sopor t a dos u sa n do
dr iver s especia les. Ut iliza el pr ot ocolo TCP /IP . P u ede in t er ca m bia r da t os con
ba ses de da t os com pa t ibles con ODBC. Usa Módu los Da t a Socket Im por t y
Export para comunicarse con cualquier Servidor OPC en una red.
P er m it e a lt a s velocida des de m u est r eo, con el h a r dwa r e a pr opia do, los da t os
pu eden ser a dqu ir idos a m á s de 1 MH z y ser desplega dos con t in u a m en t e a
m á s de 200 KH z (depen dien do de la pla t a for m a de h a r dwa r e). E l
almacenamiento de valores a alta velocidad es posible usando la característica
de a dqu isición a disco de DASYLa b. Si el sist em a posee con t r ola dor es lo
su ficien t em en t e r á pidos, la s velocida des de t r a n sfer en cia h a cia el disco du r o
pu eden a lca n za r m á s de 200 KH z., se pu ede a lm a cen a r h a st a 512 ca n a les en
el mismo archivo.
E s posible desplega r m en sa jes de est a do depen dien do del va lor a ct u a l
(low/h igh ). E st os pu eden ser t ext o o im á gen es bit m a p. Se pu ede u sa r
cu a lqu ier bit m a p com o sím bolo de est a do. Se pu ede elegir libr em en t e color es
de fon do, t ext o, displa y y sím bolos lu m in osos de est a do, es decir , el clien t e
diseña su propia pantalla a su gusto.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Esta disponible en 4 ediciones:
Da syLa b Ligh t : Con t ien e la s fu n cion es bá sica s pa r a la a dqu isición y
representación de datos.
Da syLa b Ba sic: In clu ye fu n cion es m a t em á t ica s, est a díst ica s, y
módulos de control.
Da syLa b F u ll: P r opor cion a n u evos bloqu es qu e per m it en a u t om a t iza r
las medidas y realizar tareas de análisis.
DasyLab Professional: Agrega funciones de red, análisis de frecuencia,
amplitudes, generador de setpoints, etc.
Dispone de los siguientes módulos de extensión:
An a lysis Toolkit : Con t ien e u n gr u po de m ódu los or ien t a dos a l a n á lisis
de señ a les en el dom in io de la fr ecu en cia , fu n cion es de t r a n sfer en cia ,
filtros, cálculos de energía de la señal, etc.
Sequ en ce Gen er a t or : P r opor cion a la s h er r a m ien t a s n ecesa r ia s pa r a la
cr ea ción de señ a les pa r a a plica cion es de con t r ol, cu r va s, r a m pa s, y
ondas en general.
Dr iver Toolkit : P er m it e desa r r olla r a plica cion es de ca pt u r a de da t os,
pa r a ello se su m in ist r a n la s AP Is com plet a s con la s qu e se pu ede
desarrollar drivers propios mediante Microsoft C.
E xt en sion Toolkit : P er m it e desa r r olla r n u evos m ódu los u t iliza n do
Microsoft C.
Net Opt ion : Son m ódu los de com u n ica ción de r ed qu e per m it en
transferencia de datos entre aplicaciones DasyLab vía TCP/IP.
Im pa ct of Vibr a t ion s: Con ju n t o de Secu en cia s y fu n cion es pa r a
análisis del impacto vibracional generado sobre el cuerpo humano.
Acoustics: Con ju n t o de Secu en cia s y fu n cion es pa r a a n á lisis de
acústica y sonido
131
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
2.3. LABVIEW
La bVIE W (La bor a t or y Vir t u a l In st r u m en t E n gin eer in g Wor kben ch ) es u n
len gu a je de pr ogr a m a ción gr á fico diseñ a do por Na t ion a l In st r u m en t s, pa r a el
diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control.
Labview per m it e diseñ a r in t er fa ces de u su a r io m edia n t e u n a con sola
in t er a ct ivo ba sa do en soft wa r e. E s u n sist em a de pr ogr a m a ción de pr opósit o
gen er a l con libr er ía s y fu n cion es pa r a diver sa s t a r ea s. E n pa r t icu la r in clu ye
librerías para:
-
Adquisición de Datos.
GPIB
Control serial de Instrumentos.
Análisis de Datos.
Presentación de Datos.
Almacenamiento de Datos
Posee u n en t or n o de pr ogr a m a ción dest in a do a l desa r r ollo de a plica cion es,
sim ila r a los sist em a s de desa r r ollo com er cia les qu e u t iliza n el len gu a je C o
Basic. Sin embargo, se difer en cia de dich os pr ogr a m a s en u n im por t a n t e
a spect o: los cit a dos len gu a jes de pr ogr a m a ción se ba sa n en lín ea s de t ext o
pa r a cr ea r el código fu en t e del pr ogr a m a , m ien t r a s qu e La bView, em plea la
132
Henry Antonio Mendiburu Díaz
pr ogr a m a ción gr á fica o len gu a je G pa r a cr ea r pr ogr a m a s ba sa dos en
diagramas de bloques.
Un a de su s pr in cipa les a plica cion es es en sist em a s de m edición , com o
monitoreo de procesos y aplicaciones de control, un ejemplo de esto pueden ser
sist em a s de m on it or eo en t r a n spor t a ción , La bor a t or ios pa r a cla ses en
u n iver sida des, pr ocesos de con t r ol in du st r ia l. E s m u y u t iliza do en
pr ocesa m ien t o digit a l de señ a les, pr ocesa m ien t o en t iem po r ea l, pa r a
a plica cion es biom édica s, m a n ipu la ción de im á gen es y a u dio, a u t om a t iza ción ,
diseño de filtros digitales, generación de señales, entre otras.
P osee bibliot eca s list a s pa r a ser u t iliza da s con el objet o de in t egr a r
in st r u m en t os a u t ón om os, equ ipos de a dqu isición de da t os, pr odu ct os pa r a el
con t r ol de m ovim ien t os y de visión , in st r u m en t os GP IB/IE E E 488 y ser ie RS232 y P LCs, en t r e ot r os, lo cu a l per m it e con st r u ir u n a solu ción com plet a de
medición y automatización.
133
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
También t ien e in cor por a da s la s m á s im por t a n t es n or m a s de in st r u m en t a ción ,
tal como VISA, una norma que permite la operación entre instrumentos GPIB,
serie y VXI; P XI y soft wa r e y h a r dwa r e ba sa dos en la n or m a P XI Sist em s
Alliance CompactPCI; manejadores de instrumentos virtuales intercambiables
IVI y VXIplu g&pla y, qu e es u n m a n eja dor pa r a la n or m a qu e r ige la
instrumentación VXI.
Un gr a n n ú m er o de fa br ica n t es de h a r dwa r e y soft wa r e desa r r olla n y
m a n t ien en cen t en a r es de bibliot eca s pa r a Labview y m a n eja dor es de
in st r u m en t os qu e le a yu da n a u t iliza r fá cilm en t e su s pr odu ct os con est e. Sin
em ba r go, esa n o es la ú n ica m a n er a de pr oveer con ect ivida d a entre las
a plicaciones, t a m bién ofr ece m a n er a s sim ples de in cor por a r pr ogr a m a s en
Act iveX, bibliot eca s din á m ica s (DLLs) y bibliot eca s com pa r t ida s de ot r a s
herramientas.
Corre en Windows 2000, NT, XP, Me, 98, 95 y NT embebido as í como también
sobr e Ma c OS, Su n Sola r es y Lin u x. Ta m bién es ca pa z de com pila r código qu e
cor r a en el sist em a oper a t ivo de t iem po r ea l Ven t u r Com E TS a t r a vés del
módulo Real-Time.
Da da la im por t a n cia de los sist em a s Lega cy, Na cion a l In st r u m en t s con t in ú a
pon ien do a disposición ver sion es m á s a n t igu a s de La bview pa r a los sist em a s
oper a t ivos Win dows, Ma c OC y Su n . E s in depen dien t e de la pla t a for m a
seleccion a da : los in st r u m en t os vir t u a les que se cr ea n en u n a pla t a for m a
pu eden ser t r a n spor t a dos de m a n er a t r a n spa r en t e a cu a lqu ier ot r a
plataforma simplemente abriendo y corriendo el programa.
Elementos principales del software
Panel Frontal:
E s la pa n t a lla don de se h a ce u n a r epr esen t a ción gr á fica de los elem en t os
físicos r ea les, fu n da m en t a lm en t e com bin a n do elem en t os in dica dor es y de
control.
Los con t r oles sim u la n los disposit ivos de en t r a da de u n in st r u m en t o y
proporcionan los datos al diagrama de bloques del VI.
Los indicadores simulan los dispositivos de salida de un instrumento y
m u est r a n los da t os a dqu ir idos o gen er a dos por el dia gr a m a de
bloques.
La s fu n cion es de In dica dor y Con t r ol pu eden ser in t er ca m bia dos a t r a vés de
com a n dos del m en ú , ca da elem en t o elegido debe t en er u n n om br e (et iqu et a )
para ser identificado en la ventana de funciones.
134
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Diagrama de Bloques (Funciones):
Esta ven t a n a cont ien e el dia gr a m a de bloqu es del a lgor it m o qu e se est a
programando, es decir es código fu en t e gr á fico de La bview. E l dia gr a m a de
bloques es una solución ilustrada a un problema de programación.
E l dia gr a m a de bloqu es se con st r u ye u n ien do ( ca blea n do ) objet os qu e
r eciben o en vía n da t os, r ea liza n u n a fu n ción específica y con t r ola n el flu jo de
la ejecución del programa.
Iconos y Conectores:
Son u sa dos pa r a cr ea r n u evos icon os per son a liza dos, en r ea lida d u n icon o
r epr esen t a u n su bpr ogr a m a en el dia gr a m a de bloqu es del programa
principal. Los conectores son líneas (cables).
135
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Programación
La pr ogr a m a ción se lleva a ca bo u t iliza n do código G (gr á fico), con st a de u n
panel frontal y un panel de código como se menciono antes.
E n el pa n el fr on t a l es don de se diseñ a la in t er fa z de u su a r io y se
ubican los controles e indicadores.
En el dia gr a m a de bloqu es se en cu en t r a n la s fu n cion es. Ca da con t r ol
qu e se u t iliza en la in t er fa z de u su a r io t ien e u n a r epr esen t a ción en el
panel de funciones.
Los in dica dor es n ecesa r ios pa r a en t r ega r la in for m a ción pr ocesa da a l u su a r io
t ien en u n icon o qu e los iden t ifica en el pa n el de funciones. Los controles
pu eden ser boolea n os, n u m ér icos, st r in gs, u n a r r eglo m a t r icia l de est os o u n a
com bin a ción de los a n t er ior es; y los in dica dor es pu eden ser com o pa r a el ca so
de con t r oles per o pu dién dolos visu a liza r com o t a bla s, gr á ficos en 2D o 3D,
browser, entre otros.
La s fu n cion es pu eden ser programas pr ediseñ a dos y qu e pu eden ser
r eu t iliza dos en cu a lqu ier a plica ción , est os bloqu es fu n cion a les con st a n de
en t r a da s y sa lida s, igu a l qu e en u n len gu a je de pr ogr a m a ción est á n da r la s
fu n cion es pr ocesa n la s en t r a da s y en t r ega n u n a o va r ia s sa lida s. E stos
pu eden t a m bién est a r con for m a dos de ot r os subprogramas y a sí
sucesivamente.
136
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Funcionabilidad
E xist en fu n cion es pr ediseñ a da s pa r a a dqu isición de da t os e im á gen es, de
com u n ica cion es, de pr ocesa m ien t o digit a l de señ a les, de fu n cion es
m a t em á t ica s sim ples, h a st a fu n cion es qu e u t iliza n ot r os pr ogr a m a s com o
Ma t la b o H iQ pa r a r esolver pr oblem a s, ot r a s m a s com pleja s com o "n odos de
for m u la " qu e se u t iliza n pa r a la r esolu ción de ecu a cion es edit a n do
dir ect a m en t e est a s com o en len gu a jes de pr ogr a m a ción t r a dicion a les y
definiendo las entradas y las salidas.
Ta m bién se pu ede u t iliza r pa r a gr a fica r en t r es dim en sion es, en coor den a da s
pola r es y ca r t esia n a s, t ien e dispon ibles h er r a m ien t a s pa r a a n á lisis de
cir cu it os RF com o la Ca r t a de Sm it h , t ien e a plica cion es en m a n ejo de a u dio y
se pu ede com u n ica r con la t a r jet a de son ido de la com pu t a dor a pa r a trabajar
conjuntamente.
E n t r e su s m u ch a s fu n cion es especia les se en cu en t r a n la s de pr ocesa m ien t o de
im á gen es, com o ca pt u r a r u n a im a gen a t r a vés de u n a t a r jet a de a dqu isición ,
analizarla (como si fuera una señal recogida por un sensor) y poder enlazar los
datos con sistemas de automatización.
Flujo de Datos
Ot r a ca r a ct er íst ica se en cu en t r a en el flu jo de da t os, qu e m u est r a la ejecución
secu en cia l del pr ogr a m a , es decir , u n a t a r ea n o se in icia h a st a n o t en er en
t odos su s va r ia bles de en t r a da in for m a ción o qu e la s t a r ea s predecesoras
hayan terminado de ejecutarse.
Debido a l len gu a je gr á fico el com pila dor es m á s ver sá t il y a m iga ble ya qu e
sobr e el m ism o código de pr ogr a m a ción se pu ede ver fá cilm en t e el flu jo de
datos, así como su contenido.
Estructuras y Subdiagramas
La s est r u ct u r a s se com por t a n com o cu a lqu ier ot r o n odo en el dia gr a m a de
bloques, ejecu t a n do a u t om á t ica m en t e lo qu e est á pr ogr a m a do en su in t er ior
u n a vez que tiene dispon ibles los da t os de en t r a da , y u n a vez ejecu t a da s la s
in st r u ccion es r equ er ida s, suminist r a n los cor r espon dien t es va lor es a los
cables unidos a sus salidas.
Un su bdia gr a m a es u n a colección de n odos, ca bles y t er m in a les sit u a dos en el
interior del r ect á n gu lo qu e con st it u ye la est r u ct u r a . E l F or Loop y el Wh ile
137
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Loop ú n ica m en t e t ien en u n su bdia gr a m a . E l Ca se St r u ct u r e y el Sequ en ce
Structure pueden tener múltiples subdiagramas superpuestos.
Los su bdia gr a m a s se con st r u yes del m ism o m odo qu e el r est o del pr ogr a m a ,
ca da est r u ct u r a ejecu t a su su bdia gr a m a de a cu er do con la s r egla s específica s
que rigen su comportamiento, y que se especifican a continuación:
Ca se St r u ct u r e: La est r u ct u r a Ca se t ien e a l m en os dos su bdia gr a m a s
(Tr u e y F a lse). Ún ica m en t e se ejecu t a r á el con t en ido de u n o de ellos,
dependiendo del valor de lo que se conecte al selector.
Sequ en ce St r u ct u r e: P r im er o ejecu t a r á el su bdia gr a m a de la h oja
(frame) n ú m er o cer o, despu és el subdiagrama de la h oja n ú m er o u n o,
y así sucesivamente.
F or Loop: E s el equ iva len t e a l bu cle for en los len gu a jes de
pr ogr a m a ción con ven cion a les. E jecu t a el código dispu est o en su
interior un número determinado de veces.
While Loop: Es el equivalente al bucle while empleado en los lenguajes
con ven cion a les de programación. Se m a n t ien e a ct iva do m ien t r a s u n a
condición se esté cumpliendo.
F or m u la Node: Se em plea pa r a in t r odu cir en el dia gr a m a de bloques
fór m u la s de u n m odo dir ect o, don de el u su a r io pr ogr a m a su pr opio
algoritmo. Ta m bién exist e u n bloqu e de for m u la pa r a en la za r y
programar en código de Matlab y HiQ.
138
Henry Antonio Mendiburu Díaz
2.4. MATLAB SIMULINK
Sim u lin k es u n pa qu et e desa r r olla do por The MathWorks Inc., qu e se ejecu t a
a com pa ñ a n do a Ma t la b (pa r t e gr á fica ) pa r a m odela r , sim u la r y a n a liza r
sist em a s din á m icos. E s sopor t a do en a m bien t es com o Un ix, Ma cin t osh y
Windows.
E n sim u lin k los sist em a s son dibu jados en pa n t a lla com o dia gr a m a de bloqu e,
t a les com o fu n cion es de t r a n sfer en cia , su m a dor es, u n ion es, et c., a sí com o
en t r a da s y sa lida s vir t u a les de a pa r a t os t a les com o gen er a dor es, volt ím et r os,
osciloscopios.
P osee u n a in t er fa z de u su a r io gr á fica (GUI), con dia gr a m a s de bloqu es pa r a
con st r u ir los m odelos u t iliza n do oper a cion es con el r a t ón del t ipo pu lsa r y
a r r a st r a r . De est a for m a , se pu ede dibu ja r los m odelos de la m ism a for m a qu e
se h a r ía con lá piz y pa pel. Un a vez con st r u idos los dia gr a m a s de bloqu es, se
puede ejecu t a r sim u la cion es y a n a liza r los r esu lt a dos, t a m bién de for m a
gráfica.
Cuenta con dos fases de uso:
La defin ición del m odelo, qu e sign ifica con st r u ir el m odelo a pa r t ir de
elem en t os bá sicos con st r u idos pr evia m en t e, t a l com o, in t egr a dor es,
bloques de ganancia, etc.
E l a n á lisis del m odelo, qu e sign ifica r ea liza r la sim u la ción ,
lin ea liza ción y det er m in a r el pu n t o de equ ilibr io de u n m odelo
previamente definido.
139
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Simulación de Sistemas
Puede sim u la r cu a lqu ier sist em a qu e pu eda ser defin ido por ecu a cion es
difer en cia les con t in u a s y ecu a cion es difer en cia les discr et a s. E st o sign ifica qu e
se pu ede m odela r sist em a s con t in u os en el t iem po, discr et os en el t iem po o
sistemas híbridos. Puede trabajar con sistemas lineales y no lineales; sistemas
en t iem po con t in u o, m u est r ea dos o u n h íbr ido de los dos; sistemas
multifrecuencia, etc.
P odem os sim u la r u n sist em a de dos for m a s: m edia n t e el m en ú de Sim u lin k, o
in t r odu cien do ór den es desde la lín ea de com a n dos de Matlab. Si lo h a cem os
de una u otra forma, encontramos las siguientes diferencias:
Desde Matlab:
Se pueden modificar las condiciones iniciales de los bloques
Se puede generar a u t om á t ica m en t e u n a gr á fica de la s sa lida s o de la s
trayectorias de estado.
Se pueden especificar entradas externas.
Se pu ede ejecu t a r u n a sim u la ción desde u n fich er o-M, per m it ien do
que los parámetros en los bloques se cambien in teractivamente.
La com pila ción del pr ogr a m a exige m en os r ecu r sos de la P C, por t a n t o
la simulación se ejecuta más rápido.
Desde Simulink:
Mien t r a s se ejecu t a la sim u la ción se pu eden ca m bia r los pa r á m et r os
de un bloque o cualquier parámetro de alguna función.
Se puede alterar el método y parámetros de simulación.
P odemos ver la señal que transporta cada línea.
Generación de curvas de resultados en distintos formatos.
Elementos Básicos
H a y dos cla ses de elementos definidos en Sim u lin k: bloqu es y lín ea s. Los
bloqu es son u sa dos pa r a gen er a r , m odifica r , com bin a r , sa ca r y desplega r
señales. Las líneas son usadas para transferir señales de un bloque a otro.
Bloques
Se pu ede en con t r a r u n a a m plia bibliot eca de bloqu es com o por ejem plo
suma dores, fu en t es, com pon en t es lin ea les y n o lin ea les, conectores, et c.,
t ambién podemos personalizar y crear nuestros propios bloques.
Los m odelos son jer á r qu icos, de for m a qu e podem os ver u n sist em a desde u n
n ivel su per ior y en t r a n do en los bloqu es podem os ir descen dien do a t r a vés de
los niveles para ver con más detalle el modelo.
140
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Las librerías de bloques principales son:
Sources (fuentes): Sirven para generar todo tipo de señales.
Sinks (sumideros): Se usan como salida o para visualizar la señal.
Discrete: Son elem en t os de sist em a s lin ea les y en t iem po discr et o
(funciones de transferencia, diagramas de espacio-estado...)
Linear (lin ea l): Son elem en t os y con exion es pa r a sist em a s lin ea les y
en tiempo contínuo (sumadores, multiplicadores...)
Nonlinear (n o lin ea l): Son oper a dor es n o lin ea les (fu n cion es
arbitrarias, saturación, retrasos...)
Connections (conectores): Multiplexores, Demultiplexores, etc...
Adem á s, exist en u n a gr a n ca n t ida d de Dem os y de fu n cion es
complementarias.
Líneas
La s lín ea s t r a n sm it en señ a les en la dir ección in dica da por la flech a . La s
lín ea s siem pr e deben t r a n sm it ir la s señ a les de la t er m in a l de sa lida de u n
bloqu e a la t er m in a l de en t r a da de ot r o bloqu e. Un a lín ea t a m bién pu ede
sepa r a r se a ot r a lín ea , m a n da n do la señ a l a ca da u n o de los dos bloqu es
destinatarios.
La s lín ea s n u n ca pu eden in yect a r señ a les en ot r a lín ea ; la s lín ea s deben
com bin a r se a t r a vés del u so de u n bloqu e com o u n a u n ión , su m a dor ,
multiplexor, etc.
Una señal puede ser una señal escalar o una señal vectorial:
P a r a E n t r a da -Sim ple, Sist em a s del Sa lida -Sim ple, gen er a lm en t e se
usan señales escalares.
Para el Multi-entrada, sistemas de Multi-Salida, se usan a menudo las
señales vectoriales, consistiendo en dos o más señales escalares
141
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
La s lín ea s pa r a t r a n sm it ir señ a les esca la r es y vect or ia les son idén t ica s. E l
t ipo de señ a l lleva do por u n a lín ea es det er m in a do por los bloqu es en
cu a lqu ier ext r em o de la lín ea . La m a yor ía de los bloqu es a cept a n por igu a l la s
señales escalares y vectoriales.
Del gr á fico a n t er ior , la lín ea de con exión en t r e el m u lt iplexor y el osciloscopio
t ien e qu e lleva r la s dos señ a les a l m ism o t iem po: la on da sen oida l de la qu e
pa r t im os, y la in t egr a ción de esa est a (1 /s). Del m u lt iplexor sólo pa r t e u n a
línea, pero en el osciloscopio vemos representadas las dos.
Visualización de Señales
Sim u lin k dispon e de va r ios bloqu es dist in t os pa r a la visu a liza ción de señ a les,
en t r e ellos est á n el bloqu e Scope, el bloqu e XYGr a ph y el bloqu e Displa y, a qu í
el ejemplo de 2 ondas senoidales visualizadas a través del bloque Scope:
142
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Adquisición de Datos y Control
Sim u lin k cu en t a con bloqu es pa r a a dqu isición de da t os, los cu a les deben ser
con figu r a dos con los dr ives específicos pa r a la t a r jet a de a dqu isición qu e se
est á u t iliza n do. La s libr er ía s de sim u lin k ya cu en t a n con los dr iver s de los
pr in cipa les fa br ica n t es, per o t a m bién es posible in cor por a r n u eva s libr er ía s
y/o actualizar las existentes.
Adicion a lm en t e cu en t a con bloqu es ya diseñ a dos pa r a r ea liza r a ccion es de
con t r ol, com o el a lgor it m o P ID, en el cu a l lo ú n ico qu e es u su a r io debe h a cer
es sintonizar correctamente.
P or ejem plo podem os t en er el con t r ol de u n m ot or DC: Ten em os u n a en t r a da
a n a lógica del sen sor (t a cóm et r o), la cu a l se lee con el bloqu e RT in . Ten em os
u n a sa lida a n a lógica h a cia el m ot or (volt a je), la cu a l se en vía m edia n t e el
bloqu e RT ou t . E l sist em a cu en t a con u n set -point definido por el usuario, un
difer en cia dor pa r a det er m in a r el er r or , u n filt r o a n a lógico pa r a la en t r a da , u n
sa t u r a dor pa r a la sa lida de volt a je, y u n gr a fica dor (scope) pa r a m ost r a r el
comportamiento del sistema.
2.5. OTROS SOF TWARE S P ARA ADQUISICIÓN Y P ROCE SAMIE NTO DE
DATOS
P or lo gen er a l ca da fa br ica n t e de t a r jet a s de a dqu isición de da t os y h a r dwa r e
pa r a in st r u m en t a ción vir t u a l desa r r olla su pr opio pr ogr a m a pr opiet a r io y
cer r a do, per o a lgu n os de est os soft wa r e pu eden ser de a plica ción diver sa y
compatible con otros fabricantes; así podemos citar:
143
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
DAP Measurement Studio
Soft wa r e desa r r olla do por Micr ost a r La bor a t or ios pa r a pr ocesos de
a dqu isición de da t os. P r ovee la s h er r a m ien t a s n ecesa r ia s pa r a a plica cion es de
con t r ol. Com bin a u n a ser ie de elem en t os qu e le per m it en oper a r ba jo diver sos
sistemas operativos.
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
Agilent VEE
E s u n len gu a je de pr ogr a m a ción desa r r olla do por Agilen t Tech n ologies, pa r a
a plica cion es de a dqu isición de da t os pa r a gen er a r disposit ivos t a les com o
volt ím et r os digit a les, osciloscopios, gen er a dor es de on da , fu en t es de
alimentación, etc.
P u ede r epr esen t a r fu n cion es m a t em á t ica s y per m it e ela bor a r a lgor it m os en
ba se a los da t os r ecogidos, t odo den t r o de u n a m bien t e de pr ogr a m a ción
gráfica, usando bloques tipo diagrama seleccionados desde menús específicos.
FreeVIEW
Soft wa r e desa r r olla do por Team Solu t ion s. Diseñ a do pa r a clien t es qu e n o
qu ier en pr ogr a m a r su s pr opia s a plica cion es, cu en t a con pa n eles diseñ a dos
pa r a m ost r a r señ a les m u lt i-ca n a l, y h er r a m ien t a s pa r a a n a liza r los da t os.
Opera bajo entorno Windows
145
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Visidaq
P r ogr a m a desa r r olla do por Visida q Solu t ion s. E s u n pa qu et e list o pa r a u sa r y
n o r equ ier e de pr ogr a m a ción , cu en t a con u n a in t er fa z a m iga ble qu e per m it e
visu a liza cion es en t iem po r ea l, br in da a sist en cia pa r a la ca libr a ción de
sen sor es, cá lcu los de a lgor it m os, con ver sión de da t os, esca lonamiento,
transferencia de archivos, presentación de datos, etc.
DAQFactory
P r ogr a m a desa r r olla do por AzeoTech. E n t r e la s ca r a ct er íst ica s pr in cipa les
tenemos:
-
146
P er m it e u n a r á pida con m u t a ción en t r e el m odo de ejecu ción y el m odo
de programación.
Con ca pa cida d pa r a com bin a r da t os leídos on -lin e y da t os
almacenados en una base de datos ODBC.
Trae el algoritmo PID integrado como función
Permite comunicaciones de tipo Ethernet, Modbus, y otras
Permite captar eventos del mouse, teclado y otros periféricos.
Permite importar y exportar texto, imágenes, etc.
Tien e va r ia s pr esen t a cion es o ver sion es de a cu er do a la pot en cia ,
funcionabilidad y performance que se requiera
Henry Antonio Mendiburu Díaz
147
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Beta Instruments Manager
P r ogr a m a desa r r olla do por Bet a In st r u m en t s. Cu en t a con u n a a r qu it ect u r a
cliente-ser vidor y con ca pa cida d m u lt i-clien t e. E l soft wa r e su m in ist r a do
in cor por a a dem á s pr ogr a m a s de ejem plo en Visu a l Ba sic, qu e pu eden
dispa r a r se desde el m ism o Ma n a ger . La r ed fu n cion a con el pr ot ocolo TCP , y
puede ser desde una red de área local hasta Internet.
148
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Capítulo VII
APLICACIONES DE
INSTRUME NTACIÓN VIRTUAL
1. INTRODUCCION
La instrumentación virtual tiene una amplia gama de aplicaciones, una de sus
pr in cipa les a plica cion es es en la in du st r ia pa r a sist em a s de medición,
monitoreo de pr ocesos, y a plica cion es de con t r ol. Ta m bién pu eden ser
u t iliza dos en la bor a t or ios pa r a cla ses en universidades sobr e pr ocesos de
con t r ol in du st r ia l. Ta m bién es m u y u t iliza do en pr ocesa m ien t o digit a l de
señ a les, pr ocesa m ien t o en t iem po r ea l, pa r a a plica cion es biom édica s,
m a n ipu la ción de im á gen es y a u dio, diseñ o de filt r os digit a les, gen er a ción de
señales, automatización de hogares y edificios inteligentes, entre otras.
E n el pr esen t e ca pít u lo de señ a la n a lgu n os ejem plos de posibles a plicaciones o
u sos qu e t en dr ía la in st r u m en t a ción vir t u a l den t r o de los diver sos ca m pos de
la industria, domótica, medicina, educación, etc.
149
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
2. ADQUISICIÓN Y ANÁLISIS DE ELECTROCARDIOGRAMAS
E l elect r oca r diogr a m a es u n a m edición de señ a les qu e per m it e r epr esen t a r
gr á fica m en t e la a ct ivida d eléct r ica del cor a zón . Dich a s va r ia cion es de volt a je
son el r esu lt a do de la despola r iza ción y r epola r iza ción del m ú scu lo ca r día co,
que producen cambios eléctricos que alcanzan la superficie del cuerpo.
E st a a ct ivida d se det ect a a t r a vés de u n a ser ie de elect r odos con ect a dos a la
superficie externa del pecho del paciente.
E l objet ivo del t r a ba jo ser á con ver t ir la com pu t a dor a en u n disposit ivo ca pa z
de ca pt a r la s señ a les en via da s por los elect r odos (sen sor es) u bica dos en el
pech o del pa cien t e, y m ost r a r dich os da t os en u n a cu r va en pa n t a lla . Con la
ventaja adicional de poder almacenar esa información para su análisis.
El análisis que se puede hacer a estos datos es diverso, como por ejemplo:
Gu a r da r u n h ist or ia l de pa cien t e pa r a obser va r su evolu ción a lo la r go
de un tiempo.
Si el pa cien t e su fr e de a lgú n m a l, es sist em a podr ía ser ca pa z de
iden t ifica r dich o m a l ba sá n dose en est a díst ica s e im á gen es que
correspondan a enfermedades.
E l sist em a pu ede ofr ecer u n r esu lt a do det a lla do de la a ct ivida d del
corazón
Aplica ción de fu n cion es m a t em á t ica s (der iva da en fu n ción del t iem po
del ECG, espectro de la señal electrocardiográfica, etc.)
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Henry Antonio Mendiburu Díaz
3. MEDIDOR VIRTUAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA
E n t odo h oga r y/o in du st r ia es im por t a n t e con ocer la m edida del con su m o
m en su a l de en er gía eléct r ica , y debido a l cost o del ser vicio es n ecesa r io t en er
una medición exacta en los consumos de energía.
La m edición de en er gía eléct r ica por m edio de Wa t t h or ím et r os es la for m a
m á s sen cilla y con fia ble, debido a la s ca r a ct er íst ica s pr opia s de los equ ipos de
m edición qu e se com pon en de pocos elem en t os eléct r icos. E st os m iden el
consumo en kilowatts por hora.
La gr a n va r ieda d de Wa t t h or ím et r os n os per m it e m edir t odo t ipo y for m a de
señ a les, se pu eden r ea liza r m edicion es r esiden cia les, in du st r ia les, en
su best a cion es eléct r ica s y en pla n t a s gen er a dor a s de en er gía eléct r ica , et c. De
a cu er do a la s n ecesida des y ca n t ida d de en er gía m edida , ser á el t ipo y m odelo
de m edidor qu e se r equ ier e, a sí, pa r a ser vicio r esiden cia l se em plea n los de
t ipo elect r om ecá n ico, cu yo pr in cipio de fu n cion a m ien t o es el m ot or de
in du cción ; de igu a l for m a pa r a ser vicio in du st r ia l es m u y con ven ien t e r ea liza r
mediciones con medidores auto contenidos electromecánicos y digitales.
Para m edir cor r ien t e exist en va r ios t ipos de sen sor es H a ll den t r o de los qu e
dest a ca n los de t ipo Swit ch y Lin ea l. Se diseñ a n sen sor es lin ea les pa r a
r espon der en u n a a m plia ga m a de ca m pos m a gn ét icos n ega t ivos o posit ivos,
por est a r a zón , los sen sor es de efect o H a ll lin ea les son idea les pa r a sen sa r
cor r ien t es, qu e va n desde m ili Am per es h a st a m iles de Am per es con u n a
buena precisión.
La señ a l de volt a je r equ ier e de u n a con dicion a m ien t o m edia n t e u n cir cu it o
regulador sinusoidal el cual debe fijar el voltaje alterno a niveles adecuados de
voltaje continuo para la siguiente etapa de la adquisición de los datos.
El diseño del instrumento virtual tendrá varias etapas:
La det ección de dos señ a les (volt a je y cor r ien t e) de u n sist em a
eléctrico monofásico
Una etapa de acondicionamiento y normalización de estas dos señales.
Recoger las señales mediante una tarjeta de adquisición
Programar la interfaz gráfica para el usuario
Lu ego de la pr ogr a m a ción de los a lgor it m os m a t em á t icos n ecesa r ios pa ra
ca lcu la r for m u la s y ecu a cion es, la vist a en pa n t a lla del in st r u m en t o deber á
visualizar resultados tales como por ejemplo:
El consumo de energía eléctrica total y segmentado del sistema
Voltaje y corriente pico, valores RMS
Potencia activa, potencia real, potencia reactiva
Factor de potencia
Demanda máxima
Espectro de frecuencia, etc.
151
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
4. IDENTIFICACIÓN DE SISTEMAS O PROCESOS
E l diseñ o de u n con t r ola dor con t in u o o discr et o, ya sea m edia n t e t écn ica s
clá sica s o en va r ia bles de est a do, r equ ier e de u n m odelo de la pla n t a a
con t r ola r qu e ca r a ct er ice su com por t a m ien t o din á m ico. E st e m odelo per m it e
a l diseñ a dor r ea liza r y va lida r m edia n t e sim u la ción el a ju st e de los
pa r á m et r os del con t r ola dor qu e per m it en obt en er u n a r espu est a qu e sa t isfa ga
las especificaciones de diseño.
Se en t ien de por iden t ifica ción de sist em a s a la obt en ción de for m a
exper im en t a l de u n m odelo qu e r epr odu zca con su ficien t e exa ct it u d, pa r a los
fines deseados, las características dinámicas del proceso objeto de estudio.
E l proceso de identificación comprende los siguientes pasos:
Obt en ción de da t os de en t r a da
sa lida : P a r a ello se debe excit a r el
sist em a m edia n t e la a plica ción de u n a señ a l de en t r a da y r egist r a r la
evolución de sus entradas y salidas durante un intervalo de tiempo.
Tr a t a m ien t o pr evio de los da t os r egist r ados: Los da t os r egist r a dos
est á n gen er a lm en t e a com pa ñ a dos de r u idos in desea dos u ot r o t ipo de
im per feccion es qu e pu ede ser n ecesa r io cor r egir a n t es de in icia r la
identificación del modelo.
Elección de la estructura del modelo: Si el modelo que se desea obtener
es u n m odelo paramétrico o n o pa r a m ét r ico, es decir el sigu ien t e pa so
es det er m in a r la est r u ct u r a desea da pa r a dich o m odelo y u sa r los
algoritmos matemáticos adecuados para tal.
Obt en ción de los pa r á m et r os del m odelo: A con t in u a ción se pr ocede a
la est im a ción de los pa r á m et r os de la est r u ct u r a qu e m ejor a ju st a n la
r espu est a del m odelo a los da t os de entrada-sa lida obt en idos
experimentalmente.
Va lida ción del m odelo: E l ú lt im o pa so con sist e en det er m in a r si el
m odelo obt en ido sa t isfa ce el gr a do de exa ct it u d r equ er ido pa r a la
aplicación en cuestión.
Existes modelos paramétricos (matemáticos) y no paramétricos:
Modelos n o pa r a m ét r icos. Mu ch os sist em a s qu eda n per fect a m en t e
ca r a ct er iza dos m edia n t e u n gr á fico o t a bla qu e descr iba su s
pr opieda des din á m ica s m edia n t e u n n ú m er o n o fin it o depa r á m et r os.
P or ejem plo, u n sist em a lin ea l qu eda defin ido m edia n t e su r espu est a
al impulso o al escalón, o bien mediante su respuesta en frecuencia.
152
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Modelos pa r a m ét r icos o m a t em á t icos. P a r a a plica cion es m á s
a va n za da s, pu ede ser n ecesa r io u t iliza r m odelos qu e descr iba n la s
r ela cion es en t r e la s va r ia bles del sist em a m edia n t e expr esion es
m a t em á t ica s com o pu eden ser ecu a cion es difer en cia les (pa r a sistemas
continuos) o en diferencias (para sistemas discretos).
Los Modelos Paramétricos pueden clasificarse en:
Determinísticos y E st ocá st icos. Se dice qu e u n m odelo es
det er m in íst ico cu a n do expr esa la r ela ción en t r e en t r a da s y sa lida s
m edia n t e u n a ecu a ción exa ct a . P or con t r a , u n m odelo es est ocá st ico si
posee u n cier t o gr a do de in cer t idu m br e. E st os ú lt im os se defin en
mediante conceptos probabilísticos o estadísticos.
Dinámicos y E st á t icos. Un sist em a es est á t ico cu a n do la sa lida
depende ú n ica m en t e de la en t r a da en ese m ism o in st a n t e (u n r esist or ,
por ejem plo, es u n sist em a est á t ico). E n est os sist em a s exist e u n a
r ela ción dir ect a en t r e en t r a da y sa lida , in depen dien t e del t iem po. Un
sist em a din á m ico es a qu él en el qu e la s sa lida s evolu cion a n con el
t iem po t r a s la a plica ción de u n a det er m in a da en t r a da (por ejem plo,
u n a r ed RC). E n est os ú lt im os, pa r a con ocer el va lor a ct u a l de la
sa lida es n ecesa r io con ocer el t iem po t r a n scu r r ido desde la a plica ción
de la entrada.
Continuos y Discr et os. Los sist em a s con t in u os t r a ba ja n con señ a les
con t in u a s, y se ca r a ct er iza n m edia n t e ecu a cion es difer en cia les. Los
sist em a s discr et os t r a ba ja n con señ a les m u est r ea da s, y qu eda n
descritos mediante ecuaciones en diferencias.
Los in st r u m en t os vir t u a les, por lo t a n t o, per m it ir á n r ea liza r la s a ccion es
n ecesa r ia s pa r a t om a r la da t a de en t r a da y sa lida del sist em a , y m edia n t e
algoritmos matemáticos llegar a determinar el modelo matemático de de dicho
sistema.
5. SIMULADOR DE SISTEMAS EDUCATIVOS
Un sist em a de a dqu isición de da t os per m it e r ecoger señ a les desde sen sor es
a isla dos, n o n ecesa r ia m en t e est os t ien en qu e per t en ecer a u n pr oceso
industrial, por lo que se puede montar plantas modelo para laboratorios.
Un a pla n t a m odelo pu ede con sist ir por ejem plo de u n t a n qu e, u n sen sor de
n ivel y u n a vá lvu la n eu m á t ica , lu ego los est u dia n t es pu eden u t iliza r la
computador a pa r a r ecoger y en via r señ a les, pu dien do pr ogr a m a r a lgor it m os
matemáticos y comparar su rendimiento frente a controladores comerciales.
153
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
E s m u y ú t il cu a n do se qu ier e in vest iga r n u evos t eor em a s y n u eva s leyes de
con t r ol, r ea liza r exper im en t os y sobr e t odo pr a ct ica r con ca sos r ea les com o es
el funcionamiento de un determinado algoritmo de control.
Se pu ede com bin a r con difer en t es com pon en t es m ecá n icos, eléct r icos y
elect r ón icos pa r a per m it ir m a yor flexibilida d e in cr em en t a r la ga m a de
posibles aplicaciones.
6. IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PID
El controlador PID es el m á s común, com plet o y com plejo den t r o de la ga m a
de con t r ola dor es clá sicos, t ien e u n a r espu est a r á pida y est a ble siem pr e qu e
este bien sintonizado.
El PID se puede sintonizar mediante 3 parámetros:
Ganancia Proporcional (Gain)
Ganancia Integral (Reset)
Ganancia Derivativa (Rate)
Resumiendo se puede decir que:
El control proporcional actúa sobre el tamaño del error.
El control integral rige el tiempo para corregir el error
El control derivativo le brinda la rapidez a la actuación.
P a r a poder im plem en t a r u n con t r ola dor P ID m edia n t e in st r u m en t a ción
vir t u a l es n ecesa r io r ecoger y en via r la s señ a les de ca m po, y a dem á s con ocer
el a lgor it m o m a t em á t ico y fu n ción de t r a n sfer en cia cor r espon dien t e a dich o
controlador, así tenemos:
Función de Transferencia:
Kp
1
sTi
sTd
El algoritmo de control se presenta en 2 modalidades, continuo y discreto
154
Henry Antonio Mendiburu Díaz
PID Continuo
t
u (t )
Kp e(t ) Ki
e(t )dt
0
Kd
de(t )
dt
PID Discreto
U (k ) U (k 1)
Kp Ki Kd E (k )
Kp 2Kd E (k 1)
Kd E (k 2)
Donde:
U(k)
U(k-1)
E(k)
E(k-1)
E(k-2)
Kp, Ki, Kd
Es la señal de control en el instante de tiempo actual
Es la señal de control en el instante de tiempo anterior
Es la señal de error en el instante de tiempo actual
Es la señal de error en el instante de tiempo penúltimo
Es la señal de error en el instante de tiempo antepenúltimo
Son la s con st a n t es pr opor cion a l, in t egr a l, y der iva t iva ,
respectivamente
7. DESARROLLO DE FILTROS DIGITALES
Un filtro es u n sist em a qu e, depen dien do de a lgu n os pa r á m et r os, r ea liza u n
pr oceso de discr im in a ción de u n a señ a l de en t r a da obt en ien do va r ia cion es en
su salida.
Los filt r os digit a les t ien en com o en t r a da u n a señal a n a lógica o digital y a su
sa lida t ien en ot r a señ a l a n a lógica o digit a l, pu dien do h a ber ca m bia do en
amplitud, frecuencia o fase dependiendo de las características del filtro.
E l filt r a do digit a l con sist e en la r ea liza ción in t er n a de u n pr ocesa do de da t os
de en t r a da . E l va lor de la m u est r a de la en t r a da a ct u a l y a lgu n a s m u est r a s
a n t er ior es (qu e pr evia m en t e h a bía n sido a lm a cen a da s) son m u lt iplica dos por
u n os coeficien t es defin idos. Ta m bién podr ía t om a r va lor es de la sa lida en
instantes pasados y multiplicarlos por otros coeficientes.
F in a lm en t e t odos los r esu lt a dos de t oda s est a s m u lt iplica cion es son su m a dos,
dando una salida para el instante actual. Esto implica que internamente tanto
la sa lida com o la en t r a da del filt r o ser á n digitales, por lo qu e pu ede ser
155
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
n ecesa r ia u n a con ver sión a n a lógico-digit a l o digit a l-a n a lógica pa r a u so de
filtros digitales en señales analógicas.
Los filt r os digit a les se u sa n fr ecu en t em en t e pa r a t r a t a m ien t o digit a l de la
imagen o para tratamiento del sonido digital.
Los filtros digitales deben cumplir con las siguientes propiedades:
Invariancia en el tiempo
Ca u sa lida d (su sa lida en u n in st a n t e da do n o pu ede depen der de
valores posteriores de la excitación)
Linealidad
156
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Anexo I
UNIDADE S DE L SISTE MA DE
MEDIDAS
Introducción
Media n t e la s u n ida des del sist em a de m edida s podem os r epr esen t a r la
in for m a ción cu a n t it a t iva cor r espon dien t e a la obser va ción de u n fen óm en o
físico, por t a n t o a con t in u a ción se m u est r a n dich a s u n ida des cor r espon dien t es
a sus respectivas magnitudes y símbolos
Normativa en el Perú
E L SLUMP (Sist em a Lega l de Un ida des de Medida del P er ú ) est a blece en el
P er ú el Sist em a In t er n a cion a l de Un ida des (SI) m edia n t e Ley Nº 23560, t a l
com o es a cept a do en ca si t odos los pa íses del m u n do. E l SLUMP est a a ca r go
del INDE COP I (In st it u t o Na cion a l de Defen sa de la Com pet en cia y de la
Protección de la Propiedad Intelectual), su alcance comprende:
-
Unidades de medida, sus definiciones y símbolos.
Prefijos, sus equivalencias y símbolos.
Regla s de u so y escr it u r a de u n ida des, m ú lt iplos, su bm ú lt iplos y
símbolos.
Reglas de presentación de valores numéricos, de fechas y del tiempo.
Regla s de u so de u n ida des, pr efijos y va lor es n u m ér icos en cá lcu los,
conversión y redondeo.
Unidades SI básicas.
Magnitud
Nombre
Símbolo
Longitud
metro
m
Masa
kilogramo
kg
Tiempo
segundo
s
157
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Intensidad de corriente eléctrica
amperio
A
Temperatura termodinámica
kelvin
K
Cantidad de sustancia
mol
Intensidad luminosa
candela
mol
cd
Fundamentación de las unidades:
Unidad de longitud:
metro (m)
El m et r o es la lon git u d de t r a yect o r ecor r ido en el
va cío por la lu z du r a n t e u n t iem po de 1 / 299 792 458
de segundo.
Unidad de masa
El kilogramo (kg) es igu a l a la m a sa del pr ot ot ipo
internacional del kilogramo
Unidad de tiempo
El segundo (s) es la du r a ción de 9 192 631 770
periodos de la radiación correspondiente a la
tran sición en t r e los dos n iveles h iper -fin os del est a do
fundamental del átomo de cesio 133.
Unidad de intensidad El amperio (A) es la in t en sida d de u n a cor r ien t e
de corriente eléctrica constante que manteniéndose en dos conductores
paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección
circular despreciable y situados a una distancia de
un metro uno de otro en el vacío, produciría una
fuerza igual a 2·10-7 newton por metro de longitud.
Unidad de
temperatura
termodinámica
El kelvin (K), unidad de temperatura termodinámica,
es la fr a cción 1/273,16 de la t em per a t u r a
termodinámica del punto triple del agua.
Obser va ción :
Adem á s
de
la
t em per a t u r a
t er m odin á m ica (sím bolo T) expr esa da en kelvin s, se
u t iliza t a m bién la t em per a t u r a Celsiu s (sím bolo t )
defin ida por la ecu a ción
t = T - T 0 don de T 0 =
273,15 K por definición.
Unidad de cantidad de El mol (m ol) es la ca n t ida d de su st a n cia de u n
sustancia
sistema que contiene tantas entidades elementales
como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12.
158
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Cu a n do se em plee el m ol, deben especifica r se la s
u n ida des elem en t a les, qu e pu eden ser á t om os,
m olécu la s, ion es, elect r on es u ot r a s pa r t ícu la s o
grupos especificados de tales partículas.
Unidad de intensidad La candela (cd) es la u n ida d lu m in osa , en u n a
luminosa
dirección dada, de una fuente que emite una
radiación monocromática de frecuencia 540·1012
hertz y cuya intensidad energética en dicha dirección
es 1/683 watt por estereorradián.
Unidades SI suplementarias.
Magnitud
Nombre
Símbolo
Expresión en
unidades SI básicas
Ángulo plano
Radián
rad
mm-1 = 1
Ángulo sólido
Estereorradián
sr
m 2 m -2 = 1
Unidad de ángulo plano El radián (r a d) es el á n gu lo pla n o com pr en dido
entre dos radios de un círculo que, sobre la
circunferencia de dicho círculo, interceptan un arco
de longitud igual a la del radio.
Unidad de ángulo sólido El estereorradián (sr ) es el á n gu lo sólido qu e,
teniendo su vértice en el centro de una esfera,
intercepta sobre la superficie de dicha esfera un
área igual a la de un cuadrado que tenga por lado
el radio de la esfera.
Unidades SI derivadas
E st a s u n ida des SI der iva da s se expr esa n sim plem en t e a pa r t ir de la s
unidades SI básicas y suplementarias.
159
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Algunas han recibido un nombre especial y un símbolo particular.
Algu n a s de est a s u n ida des se pu eden expr esa r t a n t o en u n a com bin a ción de
símbolos de unidades básicas, así como con un símbolo propio.
Un ida des SI der iva da s
suplementarias.
expr esa da s
a
pa r t ir
de
u n ida des
bá sica s
Magnitud
Nombre
Símbolo
Superficie
metro cuadrado
m2
Volumen
metro cúbico
m3
Velocidad
metro por segundo
m/s
Aceleración
metro por segundo cuadrado
m/s2
Número de ondas
metro a la potencia menos uno
m -1
Masa en volumen
kilogramo por metro cúbico
kg/m3
Velocidad angular
radián por segundo
rad/s
Aceleración angular
r adián por segundo cuadrado
rad/s2
Unidad de velocidad
Un m et r o por segu n do (m /s o m ·s -1 ) es la velocida d
de un cuerpo que, con movimiento uniforme, recorre,
una longitud de un metro en 1 segundo
Unidad de aceleración Un m et r o por segu n do cu a dr a do (m /s2 o m ·s -2 ) es la
a celer a ción de u n cu er po, a n im a do de m ovim ien t o
u n ifor m em en t e va r ia do, cu ya velocida d va r ía ca da
segundo, 1 m/s.
Unidad de número de
ondas
Un metro a la potencia menos uno (m-1 ) es el número
de on da s de u n a r a dia ción m on ocr om á t ica cu ya
longitud de onda es igual a 1 metro.
Unidad de velocidad
Un r a diá n por segu n do (r a d/s o r a d·s -1 ) es la
160
y
Henry Antonio Mendiburu Díaz
angular
velocida d de u n cu er po qu e, con u n a r ot a ción
u n ifor m e a lr ededor de u n eje fijo, gir a en 1 segu n do,
1 radián.
Unidad de aceleración Un r a diá n por segu n do cu a dr a do (r a d/s 2 o r a d·s -2 ) es
angular
la a celer a ción a n gu la r de u n cu er po a n im a do de u n a
r ot a ción u n ifor m em en t e va r ia da a lr ededor de u n eje
fijo, cu ya velocida d a n gu la r , va r ía 1 r a diá n por
segundo, en 1 segundo.
Unidades SI derivadas con nombres y símbolos especiales.
Magnitud
Expresión en Expresión en
otras
unidades SI
unidades SI
básicas
Nombre
Símbolo
hertz
Hz
s -1
Fuerza
newton
N
m·kg·s-2
Presión
pascal
Pa
N·m-2
m -1 ·kg·s-2
Energía, trabajo,
cantidad de calor
joule
J
N·m
m 2 ·kg·s-2
Potencia
watt
W
J·s-1
m 2 ·kg·s-3
coulomb
C
Potencial
eléctrico
fuerza
electromotriz
volt
V
Resistencia
eléctrica
ohm
Capacidad
eléctrica
farad
Flujo magnético
Inducción
magnética
Frecuencia
Cantidad de
electricidad
carga eléctrica
s·A
W·A-1
m 2 ·kg·s-3 ·A-1
V·A-1
m 2 ·kg·s-3 ·A-2
F
C·V-1
m -2 ·kg-1 ·s4 ·A2
weber
Wb
V·s
m 2 ·kg·s-2 ·A-1
tesla
T
Wb·m2
kg·s-2 ·A1
161
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Inductancia
henry
H
Wb·A-1
m 2 ·kg s-2 ·A-2
Unidad de frecuencia
Un hertz (H z) es la fr ecu en cia de u n fen óm en o
periódico cuyo periodo es 1 segundo.
Unidad de fuerza
Un newton (N) es la fu er za qu e, a plica da a u n
cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo, le
comunica una aceleración de 1 metro por segundo
cuadrado.
Unidad de presión
Un pascal (P a ) es la pr esión u n ifor m e qu e, a ct u a n do
sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado,
ejerce perpendicularmente a esta superficie una
fuerza total de 1 newton.
Unidad de energía,
trabajo, cantidad de
calor
Un joule (J ) es el t r a ba jo pr odu cido por u n a fu er za
de 1 n ewt on , cu yo pu n t o de a plica ción se despla za 1
metro en la dirección de la fuerza.
Unidad de potencia,
flujo radiante
Un watt (W) es la pot en cia qu e da lu ga r a u n a
producción de energía igual a 1 joule por segundo.
Unidad de cantidad de Un coulomb (C) es la ca n t ida d de elect r icida d
electricidad, carga
transportada en 1 segundo por una corriente de
eléctrica
intensidad 1 ampere.
Unidad de potencial
eléctrico, fuerza
electromotriz
Un voltio (V) es la difer en cia de pot en cia l eléct r ico
qu e exist e en t r e dos pu n t os de u n h ilo con du ct or qu e
t r a n spor t a u n a cor r ien t e de in t en sida d con st a n t e de
1 a m per e cu a n do la pot en cia disipa da en t r e est os
puntos es igual a 1 watt.
Unidad de resistencia
eléctrica
Un ohmnio ( ) es la r esist en cia eléct r ica qu e exist e
en t r e dos pu n t os de u n con du ct or cu a n do u n a
162
Henry Antonio Mendiburu Díaz
difer en cia de pot en cia l con st a n t e de 1 volt a plica da
en t r e est os dos pu n t os pr odu ce, en dich o con du ct or ,
u n a cor r ien t e de in t en sida d 1 a m per e, cu a n do n o
haya fuerza electromotriz en el conductor.
Unidad de capacidad
eléctrica
Un faradio (F ) es la ca pa cida d de u n con den sa dor
eléctrico que entre sus armaduras aparece una
diferencia de potencial eléctrico de 1 volt, cuando
está cargado con una cantidad de electricidad igual
a 1 coulomb.
Unidad de flujo
magnético
Un weber (Wb) es el flu jo m a gn ét ico qu e, a l
atravesar un circuito de una sola espira produce en
la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se
anula dicho flujo en un segundo por decaimiento
uniforme.
Unidad de inducción
magnética
Una tesla (T) es la in du cción m a gn ét ica u n ifor m e
que, repartida normalmente sobre una superficie de
1 metro cuadrado, produce a través de esta
superficie un flujo magnético total de 1 weber.
Unidad de inductancia Un henry (H ) es la in du ct a n cia eléct r ica de un
cir cu it o cer r a do en el qu e se pr odu ce u n a fu er za
elect r om ot r iz de 1 volt , cu a n do la cor r ien t e eléct r ica
qu e r ecor r e el cir cu it o va r ía u n ifor m em en t e a r a zón
de un ampere por segundo.
Unidades SI derivadas expresadas a partir de las que tienen nombres
especiales
Nombre
Símbolo
Expresión en unidades
SI básicas
Viscosidad dinámica
pascal segundo
Pa·s
m -1 ·kg·s-1
Entropía
joule por kelvin
J/K
m 2 ·kg·s-2 ·K-1
Magnitud
163
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Capacidad térmica
másica
joule por
kilogramo kelvin
J/(kg·K)
m2·s-2 ·K-1
Conductividad térmica
watt por metro
kelvin
W/(m·K)
m·kg·s-3 ·K-1
Intensidad del campo
eléctrico
volt por metro
V/m
m·kg·s-3 ·A-1
Unidad de viscosidad
dinámica
Un pa sca l segu n do (P a ·s) es la viscosida d
din á m ica de u n flu ido h om ogén eo, en el cu a l, el
m ovim ien t o r ect ilín eo y u n ifor m e de u n a
su per ficie pla n a de 1 m et r o cu a dr a do, da lu ga r
a u n a fu er za r et a r da t r iz de 1 n ewt on , cu a n do
h a y u n a difer en cia de velocida d de 1 m et r o por
segu n do en t r e dos pla n os pa r a lelos sepa r a dos
por 1 metro de distancia.
Unidad de entropía
Un jou le por kelvin (J /K) es el a u m en t o de
en t r opía de u n sist em a qu e r ecibe u n a ca n t ida d
de ca lor de 1 jou le, a la t em per a t u r a
t er m odin á m ica con st a n t e de 1 kelvin , siem pr e
qu e en el sist em a n o t en ga lu ga r n in gu n a
transformación irreversible.
Unidad de capacidad
térmica másica
Un jou le por kilogr a m o kelvin (J /(kg·K) es la
ca pa cida d t ér m ica m á sica de u n cu er po
h om ogén eo de u n a m a sa de 1 kilogr a m o, en el
qu e el a por t e de u n a ca n t ida d de ca lor de u n
jou le, pr odu ce u n a eleva ción de t em per a t u r a
termodinámica de 1 kelvin.
Unidad de conductividad
térmica
Un wa t t por m et r o kelvin (W·m /K) es la
con du ct ivida d t ér m ica de u n cu er po h om ogén eo
isót r opo, en la qu e u n a difer en cia de
t em per a t u r a de 1 kelvin en t r e dos pla n os
pa r a lelos, de á r ea 1 m et r o cu a dr a do y dist a n t es
1 m et r o, pr odu ce en t r e est os pla n os u n flu jo
térmico de 1 watt.
Unidad de intensidad del
campo eléctrico
Un voltio por m et r o (V/m ) es la in t en sida d de
u n ca m po eléct r ico, qu e ejer ce u n a fu er za de 1
n ewt on sobr e u n cu er po ca r ga do con u n a
164
Henry Antonio Mendiburu Díaz
cantidad de electricidad de 1 coulomb.
Unidades definidas a partir de las unidades SI, pero que no son múltiplos o
submúltiplos decimales de dichas unidades.
Magnitud
Nombre
Ángulo plano
vuelta
Símbolo
Relación
1 vuelta= 2 rad
grado
º
( /180) rad
minuto de ángulo
'
( /10800) rad
segundo de ángulo
"
( /648000) rad
minuto
min
60 s
hora
h
3600 s
día
d
86400 s
Tiempo
Unidades en uso con el Sistema Internacional cuyo valor en unidades SI se ha
obtenido experimentalmente.
Magnitud Nombre
Símbolo Valor en unidades SI
Masa
unidad de masa atómica u
1,6605402 10-27 kg
Energía
electronvolt
1,60217733 10-19 J
eV
Múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades del SI
Factor
Prefijo
Símbolo
1024
yotta
Y
1021
zeta
Z
1018
exa
E
1015
peta
P
165
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
1012
tera
T
109
giga
G
106
mega
M
103
kilo
k
102
hecto
h
101
deca
da
10-1
deci
d
10-2
centi
c
10-3
mili
m
10-6
micro
10-9
nano
n
10-12
pico
p
10-15
femto
f
10-18
atto
a
10-21
zepto
z
10-24
yocto
y
Cinemática
Magnitud física
Símbolo
Unidad SI
tiempo
t
s
posición
x
m
velocidad
v
m s-1
aceleración
a
m s-2
ángulo plano
velocidad angular
166
rad
rad/s
Henry Antonio Mendiburu Díaz
rad·s-2
aceleración angular
Radio
r
m
longitud de arco
s
m
A, S
m2
V
m3
Área
Volumen
ángulo sólido
Frecuencia
sr
f
Hz
s -1 , rad s-1
frecuencia angular
Dinámica
Magnitud física
Símbolo
Unidad SI
Masa
m
kg
momento lineal
p
kg m s-1
Fuerza
F
N (= kg m s-2 )
momento de una
fuerza
N·m
momento de inercia
I
kg m2
momento angular
L
kg m2 s-1 rad (= J s)
Energía
E
J
Ep , V
J
energía cinética
Ek
J
Trabajo
W
J
energía potencial
167
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
potencia
P
W
densidad (masa)
d
kg m-3
presión
p
Pa
Termodinámica
Magnitud física
Símbolo
Unidad SI
calor
Q
J
trabajo
W
J
temperatura
termodinámica
T
K
temperatura Celsius
T
oC
energía interna
U
J
entropía
S
J K-1
capacidad calorífica
C
J K-1
Electromagnetismo
Magnitud física
Símbolo
Unidad SI
carga eléctrica
Q
C
C m-3
densidad de carga
corriente eléctrica
densidad de corriente
eléctrica
168
I, i
A
j
A m-2
Henry Antonio Mendiburu Díaz
potencial eléctrico
V
V
diferencia de potencial,
voltaje
V
campo eléctrico
E
V m-1
Capacidad
C
F
permitividad eléctrica
F m-1
permitividad relativa
1
momento dipolar
eléctrico
p
Cm
flujo magnético
Wb
campo magnético
B
T
Permeabilidad
µ
H m-1 , N A-2
permeabilidad relativa
µr
1
Resistencia
R
Resistividad
Autoinducción
m
L
H
inducción mutua
H
constante de tiempo
s
Constantes fundamentales
Constante
Símbolo
Valor
Velocidad de la luz
c
2.9979·108 m·s-1
Carga elemental
e
1.6021·10-19 C
Masa en reposo del electrón
me
9.1091·10-31 kg
Masa en reposo del protón
mp
1.6725·10-27 kg
169
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
Constante de Planck
H
6.6256·10-34 J·s
Constante de Avogadro
NA
6.0225·1023 mol-1
Constante de Boltzmann
K
1.3805·10-23 J·K-1
Constante de los gases
R
8.3143 J·K-1 ·mol-1
Permitividad del vacío
0
8.8544·10-12 N-1 ·m-2 ·C2
Permeabilidad del vacío
0
1.2566·10-6 m·kg·C-2
Constante de gravitación
G
6.670·10-11 N·m2 ·kg-2
Aceleración de la gravedad
a nivel del mar
G
9.7805 m·s-2
Fuente: Alonso M, Finn E. Física. Fondo Educativo Interamericano (1971)
170
Henry Antonio Mendiburu Díaz
Anexo II
CODIGOS ISA P ARA
INSTRUME NTACION
ANALYSIS (A)
1
AA
2
AA H
3
AA HH
4
AA L
5
AA LL
6
AC
7
ACV
8
AE
9
AI
10
AIC
11
AICV
12
AIT
13
AQ
14
AR
15
ARA
16
ARC
17
ARCA
18
AS
19
AS H
20
AS L
21
AT
22
AX
Analysis Alarm
Analysis Alarm High
Analysis Alarm High High
Analysis Alarm Low
Analysis Alarm Low Low
Analysis Controller
Analysis Control Valve
Analysis Element
Analysis Indicator
Analysis Indicating Controller
Analysis Indicating Control Valve
Analysis Indicating Transmitter
Analysis Integrator or Totalizator
Analysis Recorder
Analysis Recording Alarm
Analysis Recording Controller
Analysis Recording Controller Alarm
Analysis Switch
Analysis Switch High
Analysis Switch Low
Analysis Transmitter
Analysis Operation
CONDUCTIVITY (C)
1
CA
2
CA H
3
CA HH
4
CA L
5
CA LL
6
CC
7
CCV
8
CE
9
CI
10
CIC
11
CICV
12
CIT
13
CQ
Conductivity Alarm
Conductivity Alarm High
Conductivity Alarm High High
Conductivity Alarm Low
Conductivity Alarm Low Low
Conductivity Controller
Conductivity Control Valve
Conductivity Element
Conductivity Indicator
Conductivity Indicating Controller
Conductivity Indicating Control Valve
Conductivity Indicating Transmitter
Conductivity Integrator or Totalizator
171
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
14
15
16
17
18
19
20
21
22
CR
CRA
CRC
CRCA
CS
CS H
CS L
CT
CX
FLOW (F)
1
FA
2
FA H
3
FA HH
4
FA L
5
FA LL
6
FC
7
FCV
8
FE
9
FI
10
FIC
11
FICV
12
FIT
13
FQ
14
FR
15
FRA
16
FRC
17
FRCA
18
FS
19
FS H
20
FS L
21
FT
22
FX
Conductivity Recorder
Conductivity Recording Alarm
Conductivity Recording Controller
Conductivity Recording Controller Alarm
Conductivity Switch
Conductivity Switch High
Conductivity Switch Low
Conductivity Transmitter
Conductivity Operation
Flow Alarm
Flow Alarm High
Flow Alarm High High
Flow Alarm Low
Flow Alarm Low Low
Flow Controller
Flow Controller Valve
Flow Element
Flow Indicator
Flow Indicating Controller
Flow Indicating Control Valve
Flow Indicating Transmitter
Flow Integrator or Totalizator
Flow Recorder
Flow Recording Alarm
Flow Recording Controller
Flow Recording Controller Alarm
Flow Switch
Flow Switch High
Flow Switch Low
Flow Transmitter
Flow Operation
HAND CONTROLLER (H)
1
HC
Hand Controller
2
HCV
Hand Control Valve
3
HIC
Manual Indicating Controller Station
4
HS
Hand Activated Switch
TIME OR TIME SCHEDULE (K)
1
KA
Time Alarm
2
KA H
Time Alarm High
3
KA HH
Time Alarm High High
4
KA L
Time Alarm Low
5
KA LL
Time Alarm Low Low
6
KC
Program Controller
7
KCV
Interlocked Control Valve
172
Henry Antonio Mendiburu Díaz
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
KE
KI
KIC
KICV
KIT
KQ
KR
KRA
KRC
KRCA
KS
KS H
KS L
KT
KX
LEVEL (L)
1
LA
2
LA H
3
LA HH
4
LA L
5
LA LL
6
LC
7
LCV
8
LE
9
LI
10
LIC
11
LICV
12
LIT
13
LQ
14
LR
15
LRA
16
LRC
17
LRCA
18
LS
19
LS H
20
LS L
21
LT
22
LX
Time Element
Clock
Time Indicating Controller
Time Indicating Control Valve
Time Indicating Transmitter
Time Integrator or Totalizator
Time or Operation Recorder
Time or Operation Recording Alarm
Time Recording Controller
Time Recording Controller Alarm
Time Switch or Timer
Time Switch High
Time Switch Low
Time Transmitter
Operation Counter
Level Alarm
Level Alarm High
Level Alarm High High
Level Alarm Low
Level Alarm Low Low
Level Controller
Level Control Valve
Level Element
Level Indicator
Level Indicating Controller
Level Indicating Control Valve
Level Indicating Transmitter
Level Integrator or Totalizator
Level Recorder
Level Recording Alarm
Level Recording Controller
Level Recording Controller Alarm
Level Switch
Level Switch High
Level Switch Low
Level Transmitter
Level Operation
MOISTURE OR HUMIDITY (M)
1
MA
Humidity Alarm
2
MA H
Humidity Alarm High
3
MA HH
Humidity Alarm High High
4
MA L
Humidity Alarm Low
5
MA LL
Humidity Alarm Low Low
6
MC
Humidity Controller
7
MCV
Humidity Control Valve
8
ME
Humidity Element
173
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
MI
MIC
MICV
MIT
MQ
MR
MRA
MRC
MRCA
MS
MS H
MS L
MT
MX
Humidity Indicator
Humidity Indicating Controller
Humidity Indicating Control Valve
Humidity Indicating Transmitter
Humidity Integrator or Totalizator
Humidity Recorder
Humidity Recording Alarm
Humidity Recording Controller
Humidity Recording Controller Alarm
Humidity Switch
Humidity Switch High
Humidity Switch Low
Humidity Transmitter
Humidity Operation
SPEED OR FREQUENCY (S)
1
SA
Speed Alarm
2
SA H
Speed Alarm High
3
SA HH
Speed Alarm High High
4
SA L
Speed Alarm Low
5
SA LL
Speed Alarm Low Low
6
SC
Speed Controller
7
SE
Speed Element
8
SI
Speed Indicator
9
SIC
Speed Indicating Controller
10
SICV
Speed Indicating Control Valve
11
SIT
Speed Indicating Transmitter
12
SQ
Speed Integrator or Totalizator
13
SR
Speed Recorder
14
SRA
Speed Recording Alarm
15
SRC
Speed Recording Controller
16
SRCA
Speed Recording Controller Alarm
17
SS
Speed Switch
18
SS H
Speed Switch High
19
SS L
Speed Switch Low
20
SSV
Speed Control Valve
21
ST
Speed Transmitter
22
SX
Speed Operation
PRESSURE OR VACUUM (P)
1
PA
Pressure Alarm
2
PA H
Pressure Alarm High
3
PA HH
Pressure Alarm High High
4
PA L
Pressure Alarm Low
5
PA LL
Pressure Alarm Low Low
6
PC
Pressure Controller
7
PCV
Pressure Control Valve
8
PE
Pressure Element
9
PI
Pressure Indicator
174
Henry Antonio Mendiburu Díaz
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
PIC
PICV
PIT
PQ
PR
PRA
PRC
PRCA
PS
PS H
PS L
PT
PX
Pressure Indicating Controller
Pressure Indicating Control Valve
Pressure Indicating Transmitter
Pressure Integrator or Totalizator
Pressure Recorder
Pressure Recording Alarm
Pressure Recording Controller
Pressure Recording Controller Alarm
Pressure Switch
Pressure Switch High
Pressure Switch Low
Pressure Transmitter
Pressure Operation
WEIGHT OR FORCE (W)
1
WA
Weight Alarm
2
WA H
Weight Alarm High
3
WA HH
Weight Alarm High High
4
WA L
Weight Alarm Low
5
WA LL
Weight Alarm Low Low
6
WC
Weight Controller
7
WCV
Weight Control Valve
8
WE
Weight Element
9
WI
Weight Indicator
10
WIC
Weight Indicating Controller
11
WICV
Weight Indicating Control Valve
12
WIT
Weight Indicating Transmitter
13
WQ
Weight Integrator or Totalizator
14
WR
Weight Recorder
15
WRA
Weight Recording Alarm
16
WRC
Weight Recording Controller
17
WRCA
Weight Recording Controller Alarm
18
WS
Weight Switch
19
WS H
Weight Switch High
20
WS L
Weight Switch Low
21
WT
Weight Transmitter
22
WX
Weight Operation
HYDROGEN ION CONCENTRATION (pH)
1
PhA
Hydrogen Ion Concentration Alarm
2
PhA H
Hydrogen Ion Concentration Alarm High
3
PhA HH
Hydrogen Ion Concentration Alarm High
High
4
PhA L
Hydrogen Ion Concentration Alarm Low
5
PhA LL
Hydrogen Ion Concentration Alarm Low
Low
6
PhC
Hydrogen Ion Concentration Controller
7
PhCV
Hydrogen Ion Concentration Control
Valve
175
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
8
9
10
PhE
PhI
PhIC
11
PhICV
12
PhIT
13
PhQ
14
15
PhR
PhRA
16
PhRC
17
PhRCA
18
19
20
21
22
PhS
PhS H
PhS L
PhT
PhX
Hydrogen Ion Concentration Element
Hydrogen Ion Concentration Indicator
Hydrogen Ion Concentration Indicating
Controller
Hydrogen Ion Concentration Indicating
Control Valve
Hydrogen Ion Concentration Indicating
Transmitter
Hydrogen Ion Concentration Integrator or
Totalizator
Hydrogen Ion Concentration Recorder
Hydrogen Ion Concentration Recording
Alarm
Hydrogen Ion Concentration Recording
Controller
Hydrogen Ion Concentration Recording
Controller Alarm
Hydrogen Ion Concentration Switch
Hydrogen Ion Concentration Switch High
Hydrogen Ion Concentration Switch Low
Hydrogen Ion Concentration Transmitter
Hydrogen Ion Concentration Operation
TEMPERATURE (T)
1
TA
2
TA H
3
TA HH
4
TA L
5
TA LL
6
TC
7
TCV
8
TE
9
TI
10
TIC
11
TICV
12
TIT
13
TQ
14
TR
15
TRA
16
TRC
17
TRCA
18
TS
19
TS H
20
TS L
21
TT
22
TX
Temperature Alarm
Temperature Alarm High
Temperature Alarm High High
Temperature Alarm Low
Temperature Alarm Low Low
Temperature Controller
Temperature Control Valve
Temperature Element
Temperature Indicator
Temperature Indicating Controller
Temperature Indicating Control Valve
Temperature Indicating Transmitter
Temperature Integrator or Totalizator
Temperature Recorder
Temperature Recording Alarm
Temperature Recording Controller
Temperature Recording Controller Alarm
Temperature Switch
Temperature Switch High
Temperature Switch Low
Temperature Transmitter
Temperature Operation
POSITION (Z)
1
ZA
Position Alarm
176
Henry Antonio Mendiburu Díaz
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
ZA H
ZA HH
ZA L
ZA LL
ZC
ZCV
ZE
ZI
ZIC
ZICV
ZIT
ZQ
ZR
ZRA
ZRC
ZRCA
ZS
ZS H
ZS L
ZT
ZX
Position Alarm High
Position Alarm High High
Position Alarm Low
Position Alarm Low Low
Position Controller
Position Control Valve
Position Element
Position Indicator
Position Indicating Controller
Position Indicating Control Valve
Position Indicating Transmitter
Position Integrator or Totalizator
Position Recorder
Position Recording Alarm
Position Recording Controller
Position Recording Controller Alarm
Position Switch
Position Switch High
Position Switch Low
Position Transmitter
Position Operation
177
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL INDUSTRIAL
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