Guía técnica para capturar datos en procesos industriales (3ª PARTE)

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A)     CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS

En muchas aplicaciones, y especialmente para el control de procesos y adquisición de datos, la potencia y flexibilidad del PC, permite que los sistemas DAQ sean configurados de numerosas formas, cada una con sus propias ventajas. La clave al uso efectivo del PC es el acoplamiento cuidadoso de los requerimientos específicos de la aplicación de adquisición de datos al hardware y software disponibles.

La elección del hardware, y la configuración del sistema, en gran medida vienen dictados por el ambiente en el que el sistema operará (por ejemplo plantas de fabricación o ubicaciones remotas). El número de sensores y actuadores requeridos y su localización física en relación al host computer, el tipo de acondicionamiento de señal requerido, y lo hostiles de las condiciones ambientales, son factores esenciales.

Las configuraciones de los sistemas más comunes son los siguientes:

·         Computer plug-in I/O

·         I/O distribuido.

·         Loggeres y controladores distribuidos y Stand-alone.

·         Instrumentos IEEE-4888

1)      Plug-in I/O de computadora

Las placas Plug-in I/O se conectan directamente al bus de expansión de los computadores, son generalmente compactos, y también representan el método más rápido de adquirir datos a la memoria de los computadores y/o producción cambiante. Junto con estas ventajas, las tarjetas plug-in a menudo representan la alternativa de coste más bajo para un sistema de control y adquisición de datos y se utilizan comúnmente en el hardware DAQ.

En la siguiente figura se muestran tarjetas plug-in, tarjetas A/D de entradas analógicas múltiples, tarjetas D/A de salida analógica múltiple, tarjetas I/O digitales, tarjetas contadoras/temporizadoras, tarjetas de controlador especializado (tales como controladores de motor por pasos/servo) o tarjetas de instrumentación especializada.

Tarjetas DAQ multi-función, conteniendo convertidores A/D (ADCs), convertidores D/A (DACs), puertos U/O digitales y circuitería contadora de tiempo, realizan todas las funciones de las tarjetas especializadas individuales. Dependiendo del número de entradas/salidas analógicas y entradas/salidas digitales requeridas para una aplicación particular, las tarjetas multi-función representan la solución más efectiva en costes para los sistemas DAQ.

Las tarjetas de expansión plug-in se usan comúnmente en aplicaciones donde el ordenador está cerca de los sensores que se están midiendo o los actuadores que se están controlando. Alternativamente pueden conectarse remotamente a los transductores y actuadores vía módulos de acondicionamiento de señal conocidos como transmisores two-wire.

2)      I/O Distribuida

A menudo los sensores deben localizarse remotamente del computador en el que se procesan y almacenar los datos que tienen lugar. Esto es especialmente verdad en ambientes industriales donde sensores y actuadores pueden localizarse en ambiente hostiles sobre un área completa, posiblemente a cientos de metros de distancia. En ambientes ruidosos, es muy difícil para las muy pequeñas señales recibidas de los sensores tales como termopares y medidores de tensión (del orden de mV) para sobrevivir la transmisión sobre largas distancias.

Una alternativa al funcionamiento de los sensores es el uso de I/O distribuido, que está disponible en forma de módulos de acondicionamiento de señales remotamente localizados cerca de los sensores a los que se conectan. Se requiere un módulo para cada sensor utilizado, lo cual permite altos niveles de modularidad (punto único a cientos de puntos por localización). Mientras esto puede añadir un gasto razonable a los sistemas con un gran número de puntos, los beneficios en términos de calidad y exactitud de las señales es valioso.

Una de las formas más comunes de implementar formas de I/O distribuida es el transmisor digital. Estos dispositivos inteligentes realizan todas las funciones de acondicionamiento de señales requeridas (amplificación, filtrado, aislamiento, etc), contienen un micro-controlador y convertidor A/D, para realizar la conversión digital de la señal dentro del módulo en sí mismo. Los datos convertidos se transmiten al computador vía una interface de comunicación RS-232 y RS-485. El uso de redes multi-drop RS-485 reduce la cantidad de cableado requerido, ya que cada módulo de acondicionamiento de señal comparte el mismo par de cables. Conectando hasta 32 módulos, son posibles comunicaciones de hasta 10 km, cuando se usa una red multi-drop RS-485. El uso de las redes multi-drop reduce la cantidad de cableado requerido, ya que cada módulo de acondicionamiento de señal comparte el mismo par de cables.

3)      Controladores/loggers  (registradores) independientes o distribuidos

Además de proporcionar los beneficios de los módulos de acondicionamiento de señales inteligentes, y la capacidad para tomar decisiones remotamente, el uso de controladores/loggers incrementa la fiabilidad del sistema. Esto se debe a que una vez programado, el logger estacionario puede continuar operando, incluso cuando el computador host no está funcional o conectado. En realidad, los controladores/loggers estacionarios se diseñan específicamente para operar remotamente o en ambientes hostiles (ej. una estación climatológica colocada remotamente).

El controlador/logger estacionario y datos de registro se programan ya sea mediante una interface de comunicaciones o usando tarjetas portátiles o reutilizables PCMCIA. El tamaño de tarjeta de crédito de la tarjeta PCMCIA es especialmente útil cuando el controlador o logger independiente se localiza remotamente, pero requiere una interface conectada al computador.

4)      Instrumentos programables remotamente vía IEEE-488 (GPIB)

El estándar GPIB (General Purpose Interface Bus),  original fue desarrollado a finales de los 1960s por Hewlett-Packard (que lo llama HP-IB) para conectar y controlar instrumentos programables fabricados por Hewlett-Packard. Con la introducción de controladores digitales y equipos de pruebas programable, surgió la necesidad de una interfaz estándar y de alta velocidad para establecer comunicación entre instrumentos y controladores de diferentes proveedores. En 1975, el Institute of Electrical Electronic Engineers (IEEE) publicó el estándar ANSI/IEEE 488-1975, Interfaz Estándar Digital para Instrumentación Programable IEEE, el cual contenía las especificaciones eléctricas, mecánicas y funcionales de un sistema de interfaz. El IEEE 488-1975 original fue revisado en 1978, principalmente para realizar clarificaciones editoriales y agregar anexos. El bus se utiliza actualmente en todo el mundo y se le conoce con tres nombres:

·         Bus de Interfaz de Uso General (GPIB)

·         Bus de Interfaz Hewlett-Packard (HP-IB)

·         Bus IEEE 488

Debido a que el documento original IEEE 488 no incluía normas para una sintaxis de preferencia y convenciones de formato, se continuó trabajando en la especificación para mejorar el sistema de compatibilidad y configuración entre sistemas de pruebas. El resultado de este trabajo fue un apéndice de estándar, el IEEE 488.2, que incluye códigos, formatos, protocolos y comandos comunes, para utilizarse con el IEEE 488 (el cual fue renombrado como IEEE 488.1). IEEE 488.2 no reemplaza el IEEE 488.1 Muchos dispositivos todavía cumplen sólo con el IEEE 488.1. El IEEE 488.2 expande el IEEE 488.1 al definir un conjunto mínimo de habilidades para la interfaz de un dispositivo, un conjunto común de códigos y formatos para datos, un protocolo de mensajes para dispositivos, un conjunto genérico de comandos comúnmente necesitados por dispositivos y un nuevo modelo para generación de reportes de estado.

En 1990, la especificación IEEE 488.2 incluyó el documento de Los Comandos Estándares para Instrumentación Programable (SCPI por sus siglas en inglés). El SCPI define los comandos específicos que cada clase de instrumento (la cual generalmente incluye instrumentos de diferentes proveedores) debe obedecer. Por lo tanto, el SCPI garantiza compatibilidad y configuración de sistema completas entre estos instrumentos. Ya no es necesario aprender un conjunto de comandos diferentes para cada instrumento en un sistema que cumple con el SCPI, y es fácil reemplazar un instrumento de un proveedor con el de otro proveedor.

Desarrollado ante la necesidad de colectar datos de diferentes instrumentos en un ambiente de laboratorio, el GPIB es una interface de comunicaciones paralelo que permite la conexión simultánea de hasta 15 dispositivos o instrumentos en un bus de comunicaciones de datos paralelo común. La configuración más común requiere un controlador GPIB, usualmente una tarjeta plug-in en el computador, que dirige cada dispositivo en el bus e inicia los dispositivos que se comunicarán entre sí. La velocidad máxima de comunicaciones, la máxima longitud del cable, y la distancia del cable máxima entre cada dispositivo en el GPIB es dependiente de la velocidad y potencia de proceso del controlador GPIB y el tipo de cable utilizado.

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