01 septiembre 2011

Guía técnica para capturar datos en procesos industriales (1ª PARTE)


Podríamos decir que los procesos industriales son agregaciones de máquinas que realizan movimientos, transformaciones químicas, hacen circular fluidos y transfieren de calor. Pero la naturaleza dinámica de los procesos hace que sean muchas las variables que influyen en el proceso, variables que cambian de valor continuamente, y generan ineficiencias. Hemos hablado muchas veces de las ineficiencias que cada equipo individual va acumulando con el uso a lo largo del tiempo pero más problemático aún es la pérdida de rendimiento que acontece como consecuencia de las interacciones de las máquinas entre sí. Decimos más problemático porque estas ineficiencias son difíciles de detectar.


Pero en los últimos años han irrumpido en el mercado gran cantidad de tecnologías de bajo coste que a la vez permiten su rápido despliegue y a la vez su incorporación a los procesos existentes. Ese último enfoque, y centrados especialmente en la eficiencia energética y la productividad, son la base de las soluciones ofrecidas en www.todoproductividad.com. No se trata de automatizar completamente una industria de procesos compleja, un proyecto bastante costoso, sino de introducir tecnologías de captura de datos en aquellos puntos del proceso que son especialmente críticos. Esto es hoy en día bien factible si tenemos un buen conocimiento de los procesos pues las tecnologías necesarias están fácilmente disponibles por la caída significativa de los costes y la rápida expansión del software. Plataformas basadas en la tecnologías de microprocesador se usan ampliamente para procesar señales digitales, procesado de imágenes, adquisición de datos, y aplicaciones de comunicación y control industrial.
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A)     DEFINICIÓN DE ADQUISICIÓN Y CONTROL DE DATOS
La adquisición de datos es el proceso por el cual un fenómeno físico del mundo real se transforma en señales eléctricas que son medidas y convertidas en un formato digital para procesar, analizar y almacenar en un ordenador. La clave por tanto en un proceso industrial es identificar en nuestro proceso industrial cuales son los fenómenos o variables que son de interés para mejorar la eficiencia y productividad industrial.
En la gran mayoría de las aplicaciones, el sistema de adquisición de datos (DAQ) está diseñado no solamente para adquirir datos, sino también para actuar. Para definir sistemas DAQ, es importante conocer que esta definición incluye los aspectos de control del sistema total. El control es el proceso por el que señales digitales del hardware del sistema son transformadas a un formato digital para usarlas en dispositivos de control tales como actuadores o relés. Estos dispositivos controlan un sistema o proceso.
Un sistema de adquisición de datos y control está constituido por los siguientes equipos:
1)      Sensores y transductores.
Los transductores y sensores proporcionan la interface entre el mundo real y el sistema de adquisición de datos convirtiendo fenómenos físicos en señales eléctricas que el hardware de adquisición de datos y/o acondicionamiento de señal puede aceptar.
2)      Instalación de campo y cableado de comunicaciones.
La instalación de campo representa las conexiones físicas entre transductores y sensores al hardware de acondicionamiento de señal y/o hardware de adquisición de datos. Cuando el acondicionamiento de señal y/o hardware de adquisición de datos está localizado remotamente al PC, entonces el cableado proporciona la conexión física entre estos elementos de hardware y el computador host. Si esta conexión física es una interface de comunicación RS-232 o RS-485, entonces este componente del cableado de campo a menudo se refiere como cableado de comunicaciones. El cableado de campo a menudo representa el mayor componente del sistema total, es más susceptible a los efectos del ruido externo, especialmente en ambientes industriales agresivos. La puesta a tierra y apantallamiento del cableado es de vital importancia para evitar el ruido. Este componente pasivo del sistema de adquisición y control a menudo se pasa por alto como un componente integral del sistema, dando como resultado que el sistema es inexacto y poco fiable debido a unas técnicas de cableado incorrectas.
3)      Acondicionamiento de señal.
La señal eléctrica generada por los transductores a menudo necesita ser convertida a una forma aceptable al hardware de adquisición de datos, particularmente al convertidor A/D que convierte los datos de la señal al formato digital requerido. Asimismo, muchos transductores requieren alguna forma de excitación para una operación más apropiada o exacta. Las tareas principales llevadas a cabo en el acondicionamiento de señales son:
·       Filtrado. En ambientes ruidosos, es muy difícil para las pequeñas señales recibidas por sensores tales como termopares y medidores de tensión (del orden de mV), sobrevivir sin comprometer los datos del sensor. Donde el ruido es del mismo orden o mayor magnitud que la señal requerida, el ruido debe primero ser filtrado. El equipo de acondicionado de la señal a menudo contiene filtros de paso bajo para eliminar el ruido de alta frecuencia que puede llevar a datos inexactos.
·        Amplificación. Habiendo filtrado la señal de entrada requerida, debe ser amplificada para incrementar la resolución. La resolución máxima obtenida amplificando la señal de salida a la máxima oscilación de voltaje de la señal de entrada que es igual al rango de entrada del convertidor de señal analógico-a-digital (ADC), contenido dentro del hardware de adquisición de datos. Colocando el amplificador tan cerca como sea físicamente posible del sensor se reducen los efectos del ruido en las líneas de señal entre el transductor y el hardware de adquisición de datos.
·       Linealización. Muchos transductores, tales como termopares, muestran una relación no lineal a la cantidad física que se requiere medir. El método de linealización de estas señales de entrada varía entre los productos de acondicionamiento de señal. Por ejemplo, en el caso de termopares, algunos productos acoplan el hardware de acondicionamiento de señal al tipo de termopar, proporcionando hardware para amplificar y linealizar la señal al mismo tiempo.
·        Aislamiento. También puede usarse el equipamiento de acondicionamiento de señales para proporcionar aislamiento de las señales del transductor desde el ordenador, ya que es posible que ocurran transitorios de alto voltaje dentro del sistema que se está supervisando. Estos transitorios pueden deberse a descargas electrostáticas o fallos eléctricos. Asimismo, donde los niveles de voltaje en modo común son altos o hay necesidad de garantizar corrientes de pérdidas en modo común extremadamente bajas, como en las aplicaciones médicas, el aislamiento permite que las mediciones se tomen de forma exacta y segura.
·       Excitación: Los productos de acondicionamiento de señal también proporcionan la excitación para algunos transductores. Por ejemplo: medidores de tensión, termistores y RTDs, requieren voltajes externos o señales de excitación de corriente.
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