Unidad 5 Control Asistido Por Computadora.

 

TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO INSTITUTO TECNOLOGICO DE CERRO AZUL CARRERA: ING.PETROLERA NOMBRE DE LA MATERIA: INSTRUMENTACION NOMBRE DEL DOCENTE: JAIME CRUZ AZUARA TEMA DESARROLLADO:  

|Unidad 5.- Control asistido por computadora. INTEGRANTES DEL EQUIPO: CARLOS CONSTANCIO CALDERÓN ARROYO 16500756 RICARDO HERNANDEZ BUSTOS 20500814  GRUPO: 1

 

|Unidad 5.- Control asistido por computadora. Todo sistema de control asistido por computadora, como su nombre lo indica, debe de considerar conside rar a la computadora computadora como como una una computadora computadora de propósito propósito especial. especial. Como Como parte del proceso de control. La computadora pude ser una PC la cual será utilizada para accesar información variablesmonitorear, que generalmente provienen proceso, en tiempo real, con el fin de: de Almacenar, procesar, controlardeelun proceso y sus variables.

Un modelo de control asistido por computadora, es dado en la siguiente figura: x(t) Variable del Proceso

01101

m(t) +

+ Algoritmo de Control

Variable controlada deseada

e(t) Controlador Analógico Proceso

Lazo de PC

Lazo Analógico Enfriamiento

01110 Sistema de Adquisición de Datos Sensor

 

Fig. Sistema de Control Asistido por Computadora.

 

5.1 Adquis Adquisici ición ón de Datos Datos Los sistemas de adquisición de datos (SAD), es una interface que permite retroalimentar información de la o las variables del proceso, a la PC dentro del control asistido Esrequerimientos un sistema cuya complejidad depende del número de variablespor del computadora. proceso y de los de precisión del control.

Elementos de un sistema de adquisición de datos. Dado que el sistema de adquisición de datos, permite comunicar información a la PC sobre los valores actuales de las variables a controlar dentro del proceso. La comunicación debe ser de tal forma, que la PC los pueda entender y procesar de acuerdo a una estrategia previamente establecida y que caracteriza al sistema de control. Con los antecedentes de que mientras el acceso y el procesamiento de la información a la PC es digital, digital, las variables variables en el el proceso son del mundo mundo analógico analógico y la manera que en que se toman del proceso los valores de las variables a controlar en tiempo real requiere de un sensor o de un grupo de sensores. Las variables del proceso pueden ser: Temperatura, presión, razón de flujo, densidad, etc. Etc., no existe un sensor  universal para todas las variables, cada uno lleva una estrategia de sensado y una manera de responder a los cambios en el proceso. Tomando en consideración lo anterior y algunos otros aspectos inherentes a los sistemas de control asistidos por computadora, los elementos básicos de un SAD son:     

Sensores Circuitos de Acondicionamiento de señal Filtros  Amplificadores  Amplifica dores para para instrumentación instrumentación  Aisladores  Aislado res

     

Multiplexores Multiplexores analógicos digitales Convertidores A/D Circuitos S/H Convertidores D/A Comparadores

Generalmente en control asistido por computadora, Generalmente computadora, el o los sensores sensores no se consideran parte del SAD. En todos los casos los sensores llevan un acondicionamient acondicionamiento o de señal, que les permite inyectar información información analógica y filtrada a el SAD, para qué este procese la información de tal suerte que sea entendida por la PC y ésta trabaje con ella con la finalidad de llevar la variable a controlar, al valor deseado. Valor que se introduce a la PC, como el set point de la variable a controlar.

 

Acondicionamiento de la relación señal a ruido en el canal del SAD. La calidad de la señal inteligente que produce el sensor en el proceso y que aparece a la entrada del amplificador, puede ser expresada de manera compacta, mediante la relación señal a ruido (SNR), señal que produce el transductor por efectos de cambios en la variable del proceso y el ruido que se introduce por efectos de interferencias que se filtran en el cableado. Luego entonces hay una relación señal a ruido en la entrada del amplificad amplificador or (Señal (Señal de modo modo común). común). En el modelo modelo anterior anterior no contemp contempla la los errores que se producen al conectar el sensor con los conductores a la entrada del amplificador. Una expresión de la relación señal a ruido a la entrada del amplificador es dada por la siguiente expresión. SNR a la entrada del amplificador = El tipo de cableado entre el sensor y la entrada del amplificador define el valor RMS típico de la interferencia inducida. Por otro lado el amplificador presenta una razón de rechazo de modo común (CMRR), que se define por las relaciones señal a ruido de la entrada y la salida del amplificador. CMRR =

 

SNR a la salida del amplificador = SNR a la entrada del amplificador. (CMRR) 2 Generalmente se diseña para una SNR a la salida del amplificador mayor de 100 La ganancia en el proceso de elevar la relación señal a ruido a la salida del filtro, el filtro generalmente es un pasa bajos, se expresa por la siguiente relación:  

Ganancia del proceso =

=

BW es el ancho de banda Finalmente la ganancia del proceso de elevar la relación señal a ruido desde la salida del sensor hasta la entrada del convertidor A/D, del canal austero del SAD, está dado por la siguiente relación:

Para lograr una calidad de señal digital binaria equivalente a la salida del convertidor   A/D, se requiere requiere que que a la entrada entrada del convertido convertidor, r, la señal a la salida del del filtro tenga tenga una alta relación señal a ruido.

Acondicionamiento de la señal inteligente del sensor  El acondicionamiento de la señal inteligente del sensor o transductor, es importante por  varios aspectos: El sensor es elemento que lleva información del valor actual de la variable a la entrada del SAD que es la interface entre el mundo analógico y la PC digital, el tipo de variable define el tipo de sensor, el proceso también define la naturaleza del sensor y el cumplimiento de algunos estándares dependiendo del ambiente del proceso. El acondicionamiento de señal inteligente del sensor o transductor, lleva la intención de suministrar la señal representativa de la variable a sensar con el mínimo de error posible. Tiene que ver con los siguientes aspectos del control asistido por computadora:    



La distancia del SAD al proceso El tipo de sensor y su estrategia de sensado Los requerimientos y exactitud del control asistido por PC El ambiente del proceso (corrosivo, húmedo, radioactivo, extrema alta temperatura, entre otros) La linealidad de la respuesta del sensor 

 

El acondicionamiento acondicionamiento de la señal, tiene que ver con la eficiente transm transmisión isión de la señal que sale del sensor y que ingresa a uno de los canales del SAD. La magnitud de la señal debe contener la información del valor de la variable de interés en el proceso.

Un cuadro indicativo de los requerimientos de acondicionamiento de señal a la entrada del canal del SAD, para algunas variables es dada a continuación.

Variable

Temperat ura Temperat ura

Temperat ura

 

Sensor Sens or o Transduct or  Termocupl a R T D Thermisto r 

Temperat ura

IC sensor

Razón de Flujo

Sens ado multip unto

Cantid ad de flujo

Sens ado multip unto

Respuesta del sensor a cambios de la Variable Voltaje ( α en µV/ 0 C) Resistencia

Acondicionamient o de señal requerido Linearizar, ampl am plif ific icar ar y compensar  errores Conv Co nver ersi sión ón RR-V, V, amplificar, linearizar  Insertar puente

Resistencia Corriente (α (α e en n µV µV/ K)

0

Instrumento analítico ( V/ m/s)

Instrumento analítico (V/m3/s)

en de

Wheastone, amplificar, linearizar  Conversión i – v, amplificar  Operadores analógicos, compensar compens ar errores de transmisión de los sensores, Line ariza r  Operadores analógicos, compensar errores compensar de transmisión de los sensores, Line ariza r 

Fig. - Tabla comparativa de respuesta y necesidad de acondicionamiento

Un ejemplo de acondicionamiento de señal a la entrada del canal del SAD Sea T la variable temperatura en un proceso donde se requiere controlar la temperatura entre los rangos 200 ≤ T≤ 350 0C, temperaturas intermedias. Un sensor  adecuado si no muy lineal, es regularmente lineal en el rango de sensado, podría ser  una termocupla Tipo K de materiales Cromel (+) y Alumel (-), con un coeficiente de temperatura α = 40 µv/ 0c. Si consideramos que se usa cableado par trenzado para reducir la entrada de interferencia y tener una adecuada SNR en la señal de modo común del sensor y si el cableado es de cobre hasta la entrada del amplificador del SAD. Tendremos las siguientes situaciones que requieren de acondicionamiento de

 

señal a la entrada del canal del SAD. Una manera de compensar compensar el error, es decir hacerlo cero o mínimo, es usando un tipo de compensación por hardware, usando un puente de Wheastone para producir un voltaje de desbalance de polaridad adecuada, que al sumarse algebraicamente con el V error, el V error final sea cero.

 

Fig.- Circuito de corrección de error 

Usando el ajuste de calibración del puente, se puede lograr un voltaje de desbalance de polaridad adecuada de tal suerte que se anule el voltaje de error. De esa manera el voltaje de entrada al canal del SAD es el del voltaje a la temperatura del proceso.

Un multímetro digital y una fuente de temperatura temperatura constante podría ser de utilidad para lograr la calibración de del circuito de acondicionamiento de señal del sensor. Ejemplo: Usando una termocupla Usando termocupla tipo K y fuente de temperat temperatura ura constante constante de T = 100 0c, el voltaje a la entrada del canal del SAD supongamos es de 4.25 mV, cuando debería de ser Ventrada= αT = 40µV/0c( 100 0c ) = 4 mV es decir existe un error de .25 mV. Si ajustamos la calibración en el puente de tal suerte que se produzca un voltaje de .25 mV de polaridad adecuada, el voltaje de entrada corresponderá a los 4 mV que es el voltaje a la temperatura que produce el sensor, libre del error y a la entrada del canal del SAD.

Acondicionamiento de señal con salidas estándar configurables  Actualmente son diseñados  Actualmente diseñados y existen en el mercado, módulos de acondicionamien acondicionamiento to de señal que aceptan como entradas sensores como: Termocuplas, RTD, presión, tensión, flujo, …, con salida estándar configurable: 0 – 5VDC, 0 – 10VDC, 0 – 20 mA, 4  – 20 mA. Lo Lo anterior anterior directamente directamente conectable conectable al Sistema de Adquisición Adquisición de Datos. Datos.

 

5.2 Contro Controll Sup Supervi ervisor sorio io El control supervisorio supervisorio remoto generalmente generalmente va asociado asociado a un sistema de adquisición de datos, en el argot de los sistemas de control generalmente nos referimos a dicho control como sistema SCADA. La expresión “SCADA” es por las iniciales de la expresión expresi ón en inglés “Supervisory Control Control And Data Adquisition”, Adquisition”, que en nuestro idioma se traduce como “Control Supervisorio y Adquisición de Datos”. Cuando nos queremos referir a los sistemas de control supervisorio remoto, nos referimos como sistemas SCADA. El control supervisorio remoto nos permite obtener y procesar información de procesos procesos industriales diversos y generalmente dispersos y de actuar en forma remota sobre los mismos. Significa que permite supervisar de manera simultáneamente procesos e instalaciones industriales distribuidas en grandes distancias. Son ejemplos típicos de   aplicación: Las redes de distribución eléctrica, sitios de comunicación diversa, oleoductos, gasoductos.

Elementos de un Sistema de Control SCADA Los elementos básicos de un sistema de control supervisorio remoto, de los denominados denomin ados SCADA: Interface hombre – máquina, Unidad maestra, Elementos o canales de comunicación, Unidades terminales remotas (UTR’s), Sensores o transductores.

 

UTM

Estación de Trabajo Canal de Comunicación

UTR 

Sensores o Transductores

Proceso Fig. - Control Supervisorio Remoto El corazón de de un sistema de control supervisorio remoto es la Unidad Terminal Maestra (UTM) o Estación Maestra. Es un recurso de computación que recoge información de las UTR’s procedente de los sensores de el o los procesos dispersos y genera comandos de control remoto. La UTM realiza tareas de almacenamiento de datos históricos, programación para realizar reportes y estadísticas del proceso. El intercambio de información entre la UTM las UTR’s inicia desde la UTM interrogando de manera secuencial a cada UTR sobre la información que posee, al terminar con la última UTR se reinicia el proceso.

 

El software que maneja la UTM es el adecuado para adquirir, almacenar y procesar  datos, desplegar señales de alarmas sobre valores fuera de lo normal de las variables dell pr de proce oceso so y del lugar lugar dond donde e se gene generan ran tales tales seña señales les de alerta alerta y su nivel nivel de importancia, generar reportes para corrección de desperfectos en campo dentro del proceso y en algunos casos específicos el envío de comandos de control. Un sistema operativo es la plataforma que permite operar eficientemente la UTM, al igual que la interfaz hombre-máquina (Estación de Trabajo). Un operador o un grupo de operadores en la estación de trabajo, dependiendo de lo complejo del proceso remoto a controlar, pueden monitorear en tiempo real y en su caso controlar las variables de un proceso remoto. En la estación de trabajo y mediante una PC, un operador se entera de los cambios que tienen lugar en los procesos remotos y sus variables asociadas y mediante medios de impresión genera reportes diarios y de trabajo de mantenimiento preventivo y correctivo de los procesos monitoreados. Las Unidades Terminales Remotas ( UTR’s) son instaladas cercanas al proceso que será monitoreado de manera remota, estas unidades remotas son basadas en microprocesador micropro cesador y cuentan cuentan con interfaces de entrada y salida analógica analógicas s y digitales. Las UTR’s por un lado recogen información de las variables del proceso y por otro almacenan y transmiten dicha información a la UTM central cuando se las requieren. Otra de las funciones es la detección de alarmas, cuando las señales que provienen de los sensores sobrepasan los límites de operación, los cuales se encuentran almacenados en la misma terminal remota. Los límites o niveles almacenados son: Muy alto, alto, bajo, muy bajo. Y las prioridades son: Critica (peligro para equipo y/o personas), Precautoria (no requiere acción inmediata del operador), De sólo guía para el operador( baja prioridad), de eventos de muy baja prioridad. Las señales de alarma para las variables del proceso se generan cuando los valores alcanzan los niveles muy alto o muy bajo. La UTR debe registrar los instantes de entrada y salida de condición de alarma. En la estación de trabajo por medios impresos y sistemas audibles deben ser registradas de manera individual y en resumen las alarmas generadas. Incluyendo: Incluyendo: El status de nivel y prioridad de la alarma, el lugar, el proceso, proceso, la variable variable y el instante instante.. Las alarmas alarmas no reconoc reconocidas idas por el operado operador  r  permanecen intermitentes hasta en tanto no sean atendidas, al ser atendidas cambian de color dependiendo de la prioridad, los colores típicos son: Rojo para la más alta prioridad, seguidoladelconfiabilidad amarillo, el gris azul. Para garantizar del ysistema, el sistema SCADA es diseñado con recursos recurso s redundantes, duplicando duplicando el procesamiento procesamiento de los datos y almacenamiento almacenamiento de información. La UTM consta de dos computadores maestras, una de las cuales es redundante. En ellas se ejecuta el software del servidor bajo un sistema operativo en tiempo real, multiusuario, multitarea y con interfaz gráfica de ventanas y donde se va almacenando la información de campo en una base de datos de tiempo real. Los datos en tiempo real, históricos y toda la información necesaria es enviada a las estaciones de operación a través de una red local o a través de módem.

 

Cada uno de los computadores que constituyen el conjunto UTM, es capaz de operar  independientemente y están configurados en “Host-Stand by”, de tal manera que una unidad se considera la principal o en línea mientras la otra se considera de respaldo. La maestra de respaldo se mantiene energizada y debe contar con la información de la base de datos, despliegues, cargas, etc. Actualizados. Esto permite asumir el completo control sistema la al disponibilidad ocurrir una falla en la maestradel principal. permitedel maximizar y confiabilidad sistema.Este tipo de configuración

5. 5.33 Cont Contro roll Di Digi gita tall El caso anterior, es el caso de un control dedicado asistido por computadora. Para cada variable a controlar, se debe tener un lazo típico simplificado de control digital como el mostrado a continuación. Simplificado ya que no muestra todos sus elementos, el convertidor A/D representa de manera simplificada el sistema de adquisición de datos.

r(k)

u(k)

u(t)

PC

y(k)

y(t)

D/A

Proceso

A/D

Sensor 

k = 0, 1, 2, 3, … y un periodo de muestreo T adecuado  

Fig.- Lazo típico de Control digital directo

5.4 Control Distribuido Un SCADA no debe confundirse con un Sistema de Control Distribuido (DCS, Distributed Control System), aunque actualmente los principios y tecnologías que utilizan son muy similares. Su principal diferencia consiste en que los sistemas de control distribuido, normalmente se usan para controlar procesos industriales más complejos y restringidos al perímetro de una planta; por por ejemplo, los sistemas sistemas de control de una refinería, los de una planta de GLP, etc. Etc.

 

5.5.- Instrumentación Virtual

En cuanto a las aplicaciones, el campo de la instrumentación virtual no se ha quedado atrás, con un tiempo aproximado de desarrollo de 20 años, buscando la manera de hacer de la PC una herramienta científica en el campo de la instrumentación y control. La Nation al Instrument, ha sido la pionera Actualmente en este campo cam por este lo menos la máscompañía conocida National a nivel de instituciones institucio nes educativas; Actualmen te po y en mundo globalizado y altamente competitivo, cada vez son más los ingenieros que utilizan el desarrollo de la instrumentación virtual con fines de medición y control de variables y procesos, proceso s, dentro de los cuales se incluyen variables eléctricas y variables asociadas a fenómenos físicos tales como: Presión, temperatura, humedad, entre otras. Los Instrumentos independientemente de su naturaleza virtual ( VI’s ) o tradicional ya sea analógico, digital o híbrido; realizan la misma función, toman datos por medio de un sensor, procesan procesan esos datos, datos, y muestran los resultados resultados asociados a una variable variable la cual se pretende cuantificar o por lo menos detectar. La gran diferencia entre los instrumentos virtuales y los tradicionales es la flexibilidad de los Vis, los cuales son desarrollados por los usuarios y su creatividad uniendo el potencial de su PC con el software y hardware, así como los accesorios requeridos de acuerdo a sus necesidades. Los instrumentos tradicionales son de propósitos específicos los alcances del instrumento son diseñados por los fabricantes difícilmente pueden ser modificados por los usuarios, sobre todo por el costo y el beneficio. Los osciloscopios, voltímetros en general los instrumentos tradicionales tradicionales están virtualmente a un paso de formar parte del pasado. El futuro, es la instrumentación virtual y todo su prometedor potencial; la gran velocidad de los nuevos procesadores, procesadores, la gran capacidad de las PC portátiles portátiles,, las grandes oportunidades de conectividad existentes y sobre todo la accesibilidad cada vez mayor a las herramientas herramientas de cómputo a nivel mundial, la relación costo – beneficio en el desarrollo y mantenimiento mantenimiento de sistemas de Instrumentación Instrumentación y control, son la base del futuro promisorio de los VI’s. Existe Exis ten n en la actu actual alid idad ad una una gran gran vari varied edad ad de inst instru rume ment ntos os en el camp campo o de la instrumentación virtual, naturalmente asociados a la PC. 1. 2. 3. 4. 5.

Multí Multímet metros ros Digit Digitale ales s ( DVM’ DVM’s) s) Osci Oscilo losc scop opio ios s Instrume Instrumento ntos s para cuant cuantific ificar ar tem tempera peratura tura Analiza Analizadore dores s de datos datos y de señal señal dinámico dinámicos s Gene Generad rador ores es Multif Multifun uncio ciones nes

Los instrumentos y su flexibilidad asociada, está en su programación y su versatilidad, y posibilidad de desarrollo, la velocidad de procesamiento de la información, de almacenamiento de datos y ladeconectividad; ampliamente por el la creatividad del usuario. Los datos una variable bajo medición seaprovechada transfieren desde instrumento hacia la propia PC, vía su propio bus son de gran utilidad, con fines de medición y de control.

 

 Actualmente existen entornos de desarrollo  Actualmente desarrollo de aplicaciones aplicaciones en instrumentación instrumentación virtual como el LabVIEW, para crear instrumentos de gran potencialidad. Con simples rutinas se pueden realizar análisis estadísticos de datos, escalamiento de los mismos, análisis de tiempo y frecuencia, etc. Los instrumentos para PC, son los instrumentos ideales para instrumentación y automatización industrial.

Buses para instrumentación El futuro de los sistemas de buses para pruebas y mediciones, está en la siguiente dirección:  El bus bus USB es ahora ahora el más más popula popular, r, provee provee una una razón razón de transf transfere erencia ncia de datos por encima de los doce Mbytes/seg.  El bus USBII USBII es una versión versión mejorada mejorada del del USB, con capacid capacidad ad de transfere transferencia ncia de 480 Mbytes  El bus IEEE 1394 con con capacidad capacidad de de transferencia transferencia de 400 Mbyte/seg., Mbyte/seg., un simulador de GPIB desarrollado recientemente es el llamado IICP, un protocolo control Industrial de Instrumentación  de Rede Redes s Ethe Ethern rnet et quey usan usa n proto protoco colos los TCP/IP TCP/IP,, transf transfier ieren en datos datos a razó razón n de 1 Gbytes/seg, para simular el bus GPIB, se desarrollo el llamado VXI-11.

Buses GPIB El Bus GPIB fue inventado por la compañía Hewlett Packard al final de la década de los sesentas del siglo pasado, lo anterior con la intención de crear un sistema de bus altamente confiable, para conectar computadoras e instrumentos de medición y control. El sistema de red de referencia, contaba con todas las modalidades y requerimientos para crear un sistema de medición, confiable y con respuesta en tiempo real. Originalmente el bus GPIB creado por la compañía HP ( actualmente Agilent Technologies ), se llamó HPIB (Hewlett Packard Interface Bus ). En la década de los setentas del mismo siglo pasado, el HPIB se estandariza como GPIB ( General Purpose Interface Bus ) con el número de estándar IEEE488.1 Por efectos de estandarización internacional, los estándares para ese mismo bus, se renombró como IEC625.1 para finalmente quedar como IEC625.1 finalmente. Por lo anterior y debido a épocas de la estandarización, actualmente existen varios estándares para definir el mismo sistema.  Algunas propiedades  Algunas propiedades del Bus GPIB: Razón de transferencia transferencia 1Mbytes/seg., 1Mbytes/seg., hasta quince instrumentos pueden ser conectados al controlador (Computadora que controla

 

el bus de tráfico ), controles adicionales: Requerimiento de Servicio ( SQR ), Habilitador  remoto (REN ), Indicador de fin de transferencia de datos ( EOI ), Discriminador entre transferencia de datos y mensajes de control. En relación al software y hardware asociado con el bus GPIB, la compañía National instrument instrume nt ha desarrollado desarrollado la tecnología tecnología suficiente para asegurar el amplio uso del bus GPIB, una muestra lo es la interface TNT 4882C ASIC, este permite el protocolo GPIB de alta velocidad HS488, lo cual permite transferir datos a gran velocidad de hasta 8 Mbytes/ Seg., usando un cable GPIB. Además incrementa el rendimiento de sistemas GPIB, eliminando retardos de otras interfaces como la IEEE488, el HS488 como ampliación del propio IEEE488, puede funcionar con otros dispositivos de ese mismo tipo, el HS488 es manejado a nivel hardware por el integrado TNT 4882, velocidades límite de transferencia de datos dependen de las características de la PC así como de su configuración.

Circuitos integrados de Interfaz GPIB para Instrumentos National Instruments proporciona una fuente confiable de interfaces ASIC GPIB para programadores y desarrolladores de instrumentos programables.

Interfaces GPIB Lectura/Escritura TNT4882I y TNT 4882 de alta velocidad. El PQFP de 100 pines TNT4882I y TNT4882 incluye un controlador completo de interfaz GPIB y repetidor GPIB en un solo circuito integrado. También implementan transferencias de datos GPIB HS488 de alta velocidad hasta 8 Mbytes/s.

NI-488.2 – Rendimiento, compatibilidad y un camino hacia el futuro Los usuarios de los productos GPIB de National Instruments han disfrutado de un nivel de compatibilidad de software inmejorable en la industria. La arquitectura de software NI-488, un estándar de facto en la industria, ha mantenido el mismo API durante una década. Cada generación de la librería ha mantenido su compatibilidad con la base instalada instalad a de aplicaciones aplicaciones NI-488 existentes entre diversas plataformas y una gran variedad de opciones de hardware GPIB. La arquitectura de software NI-488 es el fundamento fundame nto sólido del control GPIB, ya sea que haya escrito su propio programa programa utilizando funciones NI-488.2 o esté usando un entorno de desarrollo, como LabVIEW o LabWindows/CVI. Actualmente, se ha mejorado el software NI-488 para ser  compatibles con la tecnología ASIC GPIB, incrementando significativamente el rendimiento y eficiencia de la librería con cada nueva generación de hardware. Hoy en día, los sistemas operativos de 32 bits como Windows NT y Windows 95, combinan la efectividad, el bajo costo, interfaz fácil de usar, la fiabilidad y creciente robustez de los PCs de propósito general, para proporcionar a los usuarios una plataforma económica para el uso de instrumentos de control basados en GPIB. Es

 

evidente que National Instruments puede proporcionarnos herramientas para superar  sus retos de desarrollo e incrementar el rendimiento y flexibilidad que los PC’s personales y estaciones de trabajo. Uno de los frutos de la tecnología emergente es la arquitectura del bus PCI. PCI es el bus de E / S de expansión de facto para los PC’s de escritorio escritorio y estaciones estaciones de trabajo. Puesto que se ofrecen muchas librerías en software, el usuario del bus PCI puede invertir en una sola tarjeta insertable y utilizarla en una PC con arquitectura Intel, una Power Macintosh o una estación de trabajo de escritorio. Otro estándar Otro estándar de hecho hecho,, es la tarjeta de interfaz PC Card (PCMCIA). Comúnmente utilizada en PC’s portátiles, PCMCIA-GPIB integra la funcionalidad de una tarjeta insertable de tamaño normal con el tamaño de una tarjeta de crédito, proporcionando el medio ideal para soluciones de control portátiles en GPIB. Están en el mercado, librerías NI-488.2 para Windows NT/95/3.1, Mac OS, y versiones Japonesas de Windows.

Fig.- Tarjeta de interface PCMCIA - GPIB

Líneas físicas, dispositivos, mensajes, datos y soluciones Tipos de mensajes GPIB Dispositivos GPIB se pueden comunicar con otros dispositivos GPIB enviando mensajes de dispositivos dependientes y mensajes de interfase por medio del sistema de interfase.

 

 Mensajes de dispositivos dispositivos dependientes, dependientes, llamadas llamadas de datos o mensajes mensajes de datos; contiene información específica del dispositivo: instrucciones de programación, resultados de mediciones, archivos de datos, estatus de la máquina.  Mensaje de interfase interfase de administración administración de de bus, llamados mensaje de comandos, comandos, los mensajes de interfase: Inicializan el bus, accesan o desaccesan dispositivos, establece modos de dispositivos para programación local o remota.

Transmisores, receptores y controladores Dispositivos GPIB pueden ser clasificados: transmisores, receptores y/o controladores. Transmisores: envían datos a uno o más receptores. Receptores: reciben datos. Controlador: maneja el flujo de información sobre GPIB enviando comandos a todos los dispositivos. El rol del GPIB controlador es algo similar al CPU de una computadora, pero una mejor  comparación sería como el centro de switcheo de un control telefónico de una ciudad. El red de comunicación cuando el controlador nota que un controlador dispositivo GPIB quieremonitorea hacer unalallamada (enviar mensajes de datos) este conecta las llamadas (transmisores) con los receptores. El controlador usualmente habilita un transmisor con un receptor antes que el transmisor pueda enviar mensajes al receptor. Después de que el mensaje sea transmitido, el controlador puede habilitar otras llamadas con los receptores (transmisores con receptores).  Algunas configuraciones  Algunas configuraciones GPIB no requieren controlador controlador por ejemplo un dispositivo que esta siempre transmitiendo, este conecta a uno o más receptores solamente. Las funciones del controlador son usualmente manejadas por una computadora, la computadora con el hardware y software apropiado, podría efectuar el rol de un transmisor / receptor y controlador.

GPIB señales y líneas El sistema de interfase del GPIB consiste de 16 líneas de señales, ocho retornos de tierra o líneas de escudo de drenaje. Las 16 líneas de señales son agrupadas en: 8 líneas de datos, 3 líneas de confirmación de datos y 5 líneas para administración de la interfase.

 

Fig.- Interfase GPIB, Líneas y señales.

Líneas de datos Las ocho líneas de datos DIO1 ... DIO8, pueden portar mensajes de comandos y mensajes de datos. El estado atención de líneas (ATN), determina si la información es dato o comando. Para todos los comandos y la mayoría de los datos los códigos son de 7 bits, ASCII o ISO; el octavo bit es usado para la paridad.

Líneas de confirmación de datos Las tres líneas controlan asincrónicamente la transferencia de bytes de mensajes entre dispositivos; El proceso es llamado confirmación de datos tres alambres. Lo anterior  garantiza que los bytes de mensaje sobre la línea de datos son enviados y recibidos sin error en la transmisión.  NRFD (no listo para dato), dato), indica indica cuando cuando el dispositiv dispositivo o está o no listo para recibir  recibir  un byte de mensaje. Las líneas son manejadas por todos los dispositivos cuando reciben comandos, por receptores cuando reciben mensajes de datos, por transmisores cuando se habilita el protocolo HS488.  NDAC (dato (dato no aceptado), aceptado), indica indica cuando cuando el dispositivo dispositivo tiene o no tiene aceptado aceptado un byte de mensaje. Las líneas son manejadas por todos los dispositivos cuando reciben comandos, por receptores cuando reciben datos.  DAV DAV (d (dat ato o válid válido), o), dice dice cuando cuando la señal señal sobre sobre la línea línea es válid válida a y puede puede ser  ser  aceptada de manera segura por el dispositivo. El controlador maneja DAV cuando envía comandos el transmisor maneja DAV cuando envía mensajes de datos.

Líneas de administración de interfase Cinco líneas administran el flujo de información a través de la interfase:  ATN (Atención (Atención de línea), línea), el controlad controlador or maneja maneja el ATN ATN verdadero verdadero cuando cuando usa las líneas de datos para enviar comandos y maneja el ATN falso cuando el transmisor puede enviar mensajes de datos.

 

 IFC (Interfase (Interfase limpia), el el controlador controlador del sistema sistema maneja maneja la línea IFC IFC para para inicializar el bus y convertirlo en un controlador en cargo (CIC).  REN (Hab (Habilita ilitador dor remoto remoto), ), el contr controlad olador or del siste sistema ma maneja maneja la línea línea REN, REN, la cual es usada para colocar dispositivos en los modos de programación local o remoto.  SQR (Solici (Solicitud tud de servicio) servicio),, cualquier cualquier disposi dispositivo tivo puede puede manejar manejar la línea SRQ para pedir un servicio asincrónico desde el controlador.  EOI (Fin (Fin de identificació identificación), n), la línea línea EOI tiene dos propósitos: propósitos: el transmisor transmisor usa la línea EOI para marcar el fin del mensaje, y el controlador usa la línea EOI para decirle al dispositivo que identifique su respuesta en encuesta paralela. Un c co onect nector or GPI PIB B del del tipo tipo

es most mostra rado do en la sigui iguien ente te figu figura ra..

Fig.Fig .- Conec Conector tor están estánda darr Amphen Amphenol ol para para aplic aplicac acion iones es de interconexión especiales

Características físicas y eléctricas Los dispositivos dispositivos son conectados conectados por un cable conductor conductor de 24 hilos blindado, los disposi dis positivo tivos s se pueden pueden enlazar enlazar en dos formas: formas: configu configurac ración ión lineal lineal y configu configurac ración ión estrella.

 A).

B).

Fig.- Configuración de dispositivos A).- Lineal, B).- Estrella

 

Requerimientos de configuración Para alcanzar la más alta razón de transferencia de datos para el cual el GPIB fue diseñado. La distancia entre dispositivos y el número de ellos sobre el bus son limitados a:  4 mts de separación separación entre dos dispositivos dispositivos y separación separación promedio promedio de 2 mts del del bus total.  Total Total de cab cables les máx máximo imo de de 20 mts mts..  15 dispos dispositiv itivos os o meno menos s conecta conectados dos a cada cada bus, con con no menos menos de 2/3 en on. Instrumentación IEEE488.2  fácil fácil de progr programa amar, r, respond responde e a coman comando dos s comun comunes es y a pregu pregunta ntas s de manera manera bien definida mandando mensajes estándar intercambiando formato de datos y protocolo.  IEEE48 IEEE488.2 8.2 protoco protocolo lo estándar estándar de intercamb intercambio io de mensajes, mensajes, es el fundamento fundamento para el SCPI (Standart Comand for Programing Instrument) hace el sistema de programación de prueba algo fácil.  IEEE48 IEEE488.2d 8.2defin efine e el conjunt conjunto o mínimo de IEEE48 IEEE488.1 8.1 de capacidad capacidad de interfac interface e que un instrumento puede tener. Todos los dispositivos pueden: enviar y recibir  datos, pedir servicio, responder a un mensaje de limpiar dispositivo.  Todo Todos s los instru instrume mento ntos s pueden pueden efectu efectuar ar cierta ciertas s opera operacio cione nes s para para comun comunica icar  r  sobre el bus y reportar status.  El IEEE4 IEEE488 88.2 .2 define define los coman comandos dos de progra programac mación ión usado usados s para ejecut ejecutar  ar  operaciones y preguntas.

El modelo de instrumento programable SCPI En el pasado reciente, quienes manufacturaban instrumentos programables creaban también su propio lenguaje para controlar de manera remota sus instrumentos. instrumentos. Incluso el mismo desarrollador usaba lenguajes de programación para diferentes instrumentos. Con la idea de diferentes hacer cada vez instrumentos más versátiles y más poderosos, actualmente se ha logrado estandarizar usando un común lenguaje y sintaxis para todos los instrumentos programables, a través del SCPI ( Comandos Estándar para Instrumentos Programables). El SCPI es auspiciado por todos los manufactureros de Instrumentos programables tales como: HP, Tektronics, Fluke, entre otros. El estándar SCPI especifica la estructura y la sintaxis del comando, usado para controlar instrumentos programables vía: GPIB, RS232, USB, VXIbus. El estándar  incluye comandos para otros instrumentos programables como: DMM’s ( multímetros digitales ) y osciloscopios. Los comandos SCPI están en código ASCII, para ser fácilmente trasladados a un lenguaje de programación. Los comandos SCPI son soportados por el software de aplicación de pruebas de labVIEW en instrumentación virtual.

 

La estructura de un comando SCPI, sigue a la de un diagrama de árbol, inicia con un nodo raíz que define una acción clave del instrumento y las ramas conducen a otros nodos o acciones más específicas que forman parte del comando. Cada rama del del diagrama de árbol define un comando. Un ejemplo de una pequeña parte de la estructura de comandos para un DMM es dada a continuación:

MEAsure

VOLTage

CURRent   DC?

DC

 AC?

DC?

AC?

RATio? Fig.- Estructura de comandos para un DMM Los comandos son formados siguiendo las ramas de la estructura desde el nodo raíz, colocando (:) entre nodos, algunos comandos SCPI desde la estructura son los siguientes: MEASure:VOLTage:DC? MEASure:CURRent:AC? MEASure:VOLTage:DC:RATio?

El modelo de Instrumento programable SCPI aplica para todos los diferentes tipos de instrumentos. Un medio para alcanzar grupos de comandos de categorización y compatibilidad, el SCPI define un modelo de instrumento programable.

 

Fig.- Modelo de Instrumento SCPI Todos los componentes funcionales del modelo de instrumento SCPI no aplican para cualquier instrumento, un osciloscopio no tiene la funcionalidad definida por el bloque generador de señal en el modelo SCPI.  El ruteador ruteador de de señal controla controla la conexión conexión de de una señal señal a la la función función interna del  instrumento. Componente Componente de la función función de medida, medida, convierte convierte la señal señal en una forma forma preprocesada.  Componentes Componentes del del generador generador de señal convierte convierte datos internos en una señal de de mundo real.  Memoria, Memoria, guarda guarda datos datos en en el instrume instrumento. nto.  Componente Componente de formato, convierte convierte datos del instrumento instrumento a la forma forma que pueden ser transmitidas por el bus estándar   Componente Componente de disparo, disparo, sincroniza sincroniza acciones acciones del del instrumento instrumento con con funciones funciones internas, eventos externos u otros instrumentos.

Componentes de medición INPut, condiciona condiciona la señal de entrada antes de que sea convertida en dato por el block SENSe, INPut filtra, polariza y atenúa la señal de entrada, SENSe convierte la señal en dato interno que puede ser manipulado, SENSe controla parámetros, rango, resolución, tiempo de muestreo y el rechazo de modo normal. CALCUlate, convierte los datos en un formato útil; sus funciones incluyen conversión de unidades, tiempo de evaluación, tiempo de bajada y frecuencia.

El componente de generación de señal Incluye los bloques: OUTPut, SOURce y CALCulate Bloque OUTPut: condiciona la señal de salida después de que es guardada. Incluye las funciones: filtrado, polarización y atenuación.

 

Bloque SOURce: genera la señal sobre una específica característica y dato interno. Realiza las funciones de parámetros de señal como: amplitud, modulación, potencia, corriente, voltaje y frecuencia. Bloque CALCulate: convierte datos de aplicación, con efectos de corrección, conversión de unidades y cambio de dominio.

Ejemplo de comando SCPI: El siguiente comando es aplicable a un DVM ( multímetro multímetro digital ), configurándolo configurándolo para ser un medidor de voltaje AC, sobre una señal de 20 volts con resolución de 0.001 volts. MEANSure: VOLTaje : A C? 20, 0.001  indica indica un un nuevo nuevo comando comando que está está por lleg llegar  ar   los términos términos MENSure: MENSure: VOLTage: VOLTage: A C instruye instruye al DVM que que la medida medida es de voltaje de AC  ? Instruye Instruye al DVM DVM para que regrese regrese su medida al computador/ computador/ controlad controlador  or   20 , 0.001 0.001 especifica especifica el rango rango de 20 20 volts. y la resolució resolución n de 0.001 0.001 volt. volt. del instrumento.

El LabVIEW un poderoso entorno de Instrumentación y Control virtual gráfico El LabVIEW es un lenguaje gráfico de programación desarrollado por National Instrument. Los programas LabVIEW son llamados instrumentos virtuales o VI’s. En operación y apariencia gráfica, imitan a instrumentos físicos tales como: CRO’s, multímetros. La poderosa herramienta del LabVIEW permite adquirir, almacenar y analizar datos del mundo real. Permite también, construir una interface de usuario o panel de control del instrumento o sistema de control, con controles (Perillas, botones on/off, diales entre otros) e indicadores (Gráficos, leds y otros indicadores de salida) El ambiente gráfico súper amigable de este entorno de programación para generar  instrumentos virtuales, permite generar un panel de control con indicadores de arranque y control de instrumentos y de procesos de control. El labVIEW permite la comunicación con hardware de adquisición de datos, visión, disposi dis positivo tivos s de control control de movimien movimiento, to, también también con instrume instrumentos ntos GPIB, PXI, PXI, VXI, VXI, RS232, RS485. Para aplicaciones de control, tal es el caso de del DAQ Multifuncional USB – 6211 de National Instrument, es un módulo de adquisición de datos, con velocidades velocida des de muestreo bastante altos para lograr gran precisión en sus aplicacion aplicaciones. es. Con canales de entrada y salida análogos y digitales, fáciles de usar en el ambiente gráfico de LabVIEW.