Instrumentación basada en PC

Transcripción

1 Tema 4 Instrumentación basada en PC 4.1 Computadores personales en sistemas de adquisición de datos La continua reducción de precios que han experimentado los computadores personales ha permitido ampliar su dominio de aplicación considerablemente. Es posible, de este modo, introducir el PC en tareas poco exigentes desde el punto de vista computacional en las que hasta hace poco su utilización no resultaba rentable. El campo de la instrumentación es un ejemplo de esta evolución. Las ventajas de la introducción de un computador en un sistema de adquisición de datos son entre otras: 1. Disponibilidad de un amplio conjunto de herramientas software para el desarrollo de aplicaciones. 2. Posibilidad de verificar las aplicaciones previamente a su instalación definitiva. 3. Facilidad para el diseño de tarjetas de interfaz sobre una conocida estructura hardware. 4. Disponibilidad de numerosos fabricantes de hardware de adquisición que contribuyen a extender la oferta a unos precios razonables. 5. Acceso a paquetes de software ya desarrollados para adquisición de datos. Un computador personal debe ser acondicionado para su utilización en un sistema de adquisición de datos, dando lugar a lo que suele denominarse PC industrial. En la mayoría de las ocasiones, se precisa su instalación en armarios industriales, próximos a zonas de producción, por lo que se hacen imprescindibles aspectos como los que se enumeran a continuación: 1. Instalación en una carcasa metálica con protección frente a perturbaciones electromagnéticas procedentes del entorno. 87

2 4.2. Configuraciones para sistemas de adquisición de datos Protección frente agentes ambientales como el polvo, la humedad o la temperatura empleando filtros y sistemas de ventilación. 3. Posibilidad de reemplazar los diferentes elementos del computador con facilidad, a fin de reducir al mínimo los tiempos improductivos de reparación o actualización. Esto implica un diseño modular basado en tarjetas que se insertan en un conector pasivo fijado a la carcasa. Las tarjetas no se limitan los típicos elementos intercambiables de un PC clásico, sino que se extienden para incluir unidades como la memoria, el procesador o los sistemas de almacenamiento masivo. 4.2 Configuraciones para sistemas de adquisición de datos Las aplicaciones de adquisición de datos pueden clasificarse en función de la distancia entre la zona de muestreo y el PC. Así, podemos distinguir: Configuración local La aplicación se encuentra en las inmediaciones del PC (menos 3 metros). Todo el hardware necesario para la adquisición se encuentra instalado en el ordenador, y son posibles elevadas frecuencias de muestreo. Configuración intermedia La aplicación se encuentra relativamente alejada del PC (menos de 30 metros), aunque normalmente ubicados en el mismo recinto. La mayor parte de los elementos de adquisición son externos al PC y se alcanzan tasas de transferencia de datos altas, si bien no tanto como en el caso local. Configuración remota La distancia entre el PC y la aplicación está por encima del kilómetro. El hardware de adquisición es externo al PC y la velocidad de transferencia que se consigue es reducida en comparación a los casos anteriores. 4.3 Adquisición de datos local En la adquisición de datos local, como se ha comentado anteriormente, el PC y la aplicación se encuentran muy próximos. El hardware de adquisición se encuentra bien dentro del computador personal o en un rack externo conectado al PC. Los componentes básicos que integran un sistema de adquisición de datos local son los siguientes: Computador personal. Tarjetas de adquisición. Tarjetas accesorias: multiplexores, aisladores, etc.

3 4. Instrumentación basada en PC 89 Acondicionadores de señal. Cables de interconexión. Software de adquisición Selección del hardware de adquisición A la hora de seleccionar los diferentes elementos que forman parte de un sistema de adquisición de datos deben tenerse en cuenta diferentes aspectos. SEÑALES ANALÓGICAS Acondicionamiento Debe estudiarse si las señales están o no debidamente acondicionadas. Número de canales Cuántas señales necesitamos muestrear en nuestra aplicación. Frecuencia de muestreo Con qué velocidad deben realizarse lecturas de las diferentes señales. Aislamiento Si existen o no interferencias entre las distintas señales de entrada al sistema. Resolución Nivel de detalle con el que necesitamos representar la señal. SEÑALES DIGITALES Entradas Debe determinarse, análogamente al caso analógico, la necesidad de optoaislamiento, número de canales de entrada y frecuencia de muestreo. Salidas Cuántos canales de salida se precisan, si éstos deben aislarse y cuál será la frecuencia de conmutación en los comandos dirigidos al exterior Selección del periodo de muestreo Una cuestión fundamental en el diseño de una aplicación de adquisición de datos es una adecuada selección del periodo de muestreo que se va exigir al hardware. Debe alcanzarse un correcto equilibrio entre los factores de coste y rendimiento. Las aplicaciones pueden englobarse, atendiendo a la velocidad de muestreo requerida en tres categorías: Aplicaciones lentas Precisan intervalos de muestreo comprendidos en el rango 1-10 Hz. Se asocian generalmente a variables de tipo ambiental (temperatura, humedad, etc) que no se ven sometidas a cambios repentinos. Permiten la utilización de placas digitalizadoras de gama baja con elementos de filtrado incluidos.

4 4.3. Adquisición de datos local 90 Aplicaciones rápidas Se mueven en el rango 1 Hz khz. A este grupo pertenecen al mayor parte de las aplicaciones. Aplicaciones ultra-rápidas Estas aplicaciones requieren frecuencias de muestreo superiores a los 100 khz. El acondicionado de señal adquiere más importancia y aumentan las demandas de memoria y velocidad de procesamiento sobre el PC. Una vez filtrada la señal, debe escogerse una frecuencia de muestreo adecuada. Aplicando el teorema de Nyquist, es suficiente con muestrear al doble de la mayor componente frecuencial que posea la señal. Sin embargo, desde el punto de vista práctico se emplean frecuencias mayores, en torno a 10 veces la mencionada frecuencia. La tarjeta de adquisición seleccionada para la aplicación deberá ser capaz de garantizar la frecuencia de muestreo calculada para cada señal. Puesto que la tarjeta normalmente multiplexa los diferentes canales a muestrear, esto significa que debe tomarse como referencia la señal que precise la frecuencia más elevada. La resolución de la tarjeta dependerá de la magnitud de las señales a digitalizar y de su comparación con el ruido. El factor relación señal-ruido (4.1) se emplea para analizar esta característica El ruido en la adquisición SNR = 10 log V S V N (4.1) La señal a digitalizar puede verse afectada por ruidos de diferente procedencia, como son perturbaciones internas, alteraciones debidas al desgaste de los componentes e interferencias externas. Centrándonos en el tercer tipo de fuente de ruido, hay que considerar que las señales procedentes de nuestra aplicación se ven normalmente alteradas por otras señales activas cercanas. De estas señales perturbadoras, las más frecuentes son las que provienen de líneas de alimentación y motores eléctricos de elevado consumo. También podemos hablar de perturbaciones debidas a campos eléctricos (inducen corrientes) y perturbaciones debidas a campos magnéticos (inducen voltajes). Las medidas a tomar para reducir el efecto del ruido son primero de tipo preventivo, que tratan de crear un ambiente más protegido para los circuitos de nuestra aplicación; y posteriormente en forma de tratamiento activo. Dentro de la prevención tenemos barreras tipo apantallamiento (jaulas de Faraday) para la circuitería de la aplicación, que aíslan de campos eléctricos externos. Otra línea de actuación se sitúa en el cableado de las señales. La recomendación general para el cableado de un sistema de adquisición es que la longitud de los cables debe ser lo más corta posible. Esto obedece al hecho de que el punto más vulnerable de las señales frente a las perturbaciones se localiza precisamente en la transmisión desde la fuente de la señal al hardware de adquisición.

5 4. Instrumentación basada en PC 91 Los tipos de cables que se emplean con más frecuencia en la transmisión de pequeñas señales son: Par trenzado De coste reducido ideal para transmitir pequeñas señales en modo diferencial. Si se buscan mayores prestaciones puede recurrirse al tipo apantallado. Cable coaxial Ofrece una mayor inmunidad al ruido a expensas de un coste superior. Cable simple Sólo es adecuado para la transmisión de señales de voltaje elevado. Una vez transportada la señal al punto de adquisición, la única posibilidad de eliminar el ruido es aplicar filtros. Para seleccionar el filtro adecuado para la señal a muestrear es necesario analizarla mediante un osciloscopio o un analizador de espectro. Si señal y ruido se ubican en bandas de frecuencia disjuntas podrá aislarse la señal primaria para su correcta adquisición. Se emplean básicamente filtros analógicos, que emplean condensadores y bobinas en el caso pasivo e incluyen amplificadores operacionales en el caso activo, y filtros digitales implementados por hardware o software. 4.4 Tarjetas de adquisición Conversión A/D D/A. Tipos de conversores. Parámetros de las tarjetas. Selección (software DAQ Designer). La mayor parte de las tarjetas de adquisición disponibles en el mercado poseen un rango de digitalización de -10 a +10 voltios, una resolución de 10 a 12 bits y 8 canales multiplexados. Es importante tomar estos valores como referencia, pues el coste aumenta significativamente cuando se exigen mayores prestaciones. 4.5 Estudio de caso Se plantea a continuación un ejemplo de una aplicación de adquisición de datos para su estudio Descripción del problema En una planta química se detectan, de forma esporádica, pérdidas repentinas en la calidad del producto final que repercuten negativamente en el rendimiento del proceso. Para tratar de averiguar la causa del fallo, deben monitorizarse de forma continua numerosas variables y almacenarlas para su posterior estudio.

6 4.5. Estudio de caso Especificaciones El sistema de adquisición de datos a utilizar debe cumplir con los siguientes requerimientos: Monitorización constante de unas 300 variables del proceso. Almacenamiento de las lecturas hasta 2 minutos antes de la detección del fallo y hasta 1 minuto después. Evitar interferir con el computador encargado del control de la planta. Descripción de las variables Resolución Intervalo de muestreo 27 entradas analógicas 12 bits 0,001 seg. 7 entradas analógicas en corriente 12 bits 0,001 seg. 34 entradas analógicas 12 bits 0,1 seg. 39 entradas analógicas 12 bits 1 seg. 33 entradas analógicas 12 bits 5 seg. 32 entradas digitales 1 bit 0,001 seg. 3 entradas digitales 1 bit 0,05 seg. 48 entradas digitales 1 bit 0,1 seg. 6 entradas digitales 1 bit 1 seg. Las entradas analógicas corresponden a señales de 1 a 5 voltios DC, mientras que las entradas analógicas en corriente suponen señales de 4 a 20 ma. Todas estas señales deben estar convenientemente aisladas Cálculo de requerimientos Se requieren un total de 140 entradas analógicas y 99 entradas digitales. La velocidad de muestreo que se precisa para las entradas analógicas puede obtenerse como = muestras/segundo En general, suele sobredimensionarse de un 10 a un 30 por ciento como nivel de garantía para abordar posibles ampliaciones o cambios de requerimientos en el futuro. Así pues, añadiendo 1/3 a la frecuencia de muestreo (que no es especialmente exigente) resultan muestras por segundo. Análogamente para las entradas digitales resultan = muestras/segundo Como salvaguarda tomaremos 32546*(1+1/3)=43395 muestras por segundo Solución propuesta Se decide seleccionar tarjetas independientes para la parte analógica y la parte digital, dado que el número de señales a muestrear así lo aconseja.

7 4. Instrumentación basada en PC 93 Para las señales analógicas se elige: Tarjeta conversora A/D de 16 entradas. 70 KMuestras/segundo. 32 módulos multiplexores conectables en cascada de cuatro entradas cada uno con aislamiento. Total: 128 entradas. Tarjeta conversora A/D de 16 entradas. 45 KMuestras/segundo. 1 conector con acondicionamiento de señal de 16 entradas. 1 conversor de intensidad a voltaje con aislamiento de 7 entradas. 1 adaptador de voltaje con aislamiento de 9 entradas. Total: 16 entradas. De esta forma, se dispone de capacidad para muestrear 144 señales analógicas por encima de la frecuencia exigida en las especificaciones. Para las señales digitales se elige: Tarjeta digital de 96 entradas. 4 módulos de 24 entradas digitales aisladas. Total: 96 entradas. Tarjeta digital 8 entradas. 1 módulo de conexiones. Total: 8 entradas. Así, tenemos capacidad para adquirir 104 señales digitales. 4.6 Adquisición local de datos usando GPIB GPIB es uno de los sistemas más extendidos en la actualidad (estándar inteligente IEC), constituye un estándar mundial desde 1975 en el control de instrumentos programables de forma remota. GPIB constituye un bus de instrumentación cuyo objetivo es que los instrumentos conectados al mismo sean capaces de transmitir información digital hacia el controlador del sistema de forma autónoma. El principal campo de aplicación del bus GPIB son los laboratorios de test de equipos electrónicos.

8 4.6. Adquisición local de datos usando GPIB Características técnicas Las principales características de esta interfaz incluyen: 16 líneas de conexión que se estructuran de la siguiente forma: Ocho de transferencia bidireccional para datos y control. Tres para protocolo de comunicación asíncrono (Not ready for data, Not data accepted y Data valid). Cinco para control de la actividad del bus (Attention, Interface clear, Remote enable, Service request y End o Identity). Longitud máxima 20 metros utilizando un cable de 2 metros para cada instrumento. Capacidad para conectar hasta 15 instrumentos. Velocidad máxima superior a 1 Mb por segundo Configuración La comunicación se establece entre dispositivos que deben desempeñar al menos una de las siguientes funciones: receptor, emisor o controlador. El receptor (o listener) es un dispositivo capaz de recibir datos de otros dispositivos. Un ejemplo podría ser una impresora. El emisor (o talker) es dispositivo capaz de transmitir datos hacia otros dispositivos. Este sería el caso de un contador. El controlador (o controller) es un dispositivo capaz de gestionar comunicaciones, es decir, mensajes entre dispositivos sobre el bus enviando direcciones y comandos. El papel de controlador suele ser desempeñado por un computador. En el mismo instante pueden estar activos varios dispositivos receptores, pero sólo un emisor. En función de la capacidad de configuración que ofrezcan, los dispositivos que se pueden conectar pueden agruparse en las categorías de transferencia, controlables (acceso a algunas funciones internas) y programables. Puede construirse así un sistema de medición automática con diferentes topologías. Cada dispositivo debe poseer una dirección primaria identificadora dentro del bus, la cual varía desde la dirección 1 a la 31. Esta dirección es programable en los dispositivos GPIB mediante un conjunto de cinco conmutadores, estando reservada la dirección 31 para colocar al dispositivo en estado off line. Opcionalmente puede asignarse una dirección secundaria para acceder a ciertas funciones específicas de cada dispositivo. Los tipos de mensaje que pueden circular por el bus son bien dependientes del dispositivo o dependientes de la interfaz. En el primer caso se habla de datos, y puede tratarse de instrucciones de programación, resultados de medida, etc. En el segundo caso los mensajes se denominan también comandos, como por ejemplo inicialización, direccionamiento, etc.

9 4. Instrumentación basada en PC Diseño del sistema En el diseño de un sistema de instrumentación basado en el bus GPIB deben tenerse en cuenta diversos factores como son: Formato de los datos a manipular. Número de canales y velocidad de adquisición de datos. Necesidad de procesamiento de la información. Reparto de las tareas de computación. En la selección de los instrumentos hay que tener en cuenta el papel que van a desempeñar evaluando factores como la programabilidad, velocidad de operación o formato de los mensajes. En el mercado se pueden encontrar interfaces GPIB hacia las siguientes plataformas: Ordenadores personales: PC/XT/AT: a través del bus ISA, bus EISA, bus PCI, bus PCMCIA, puerto paralelo, puerto serie, red Ethernet, puerto SCSI. PS/2: bus Micro Channel. Macintosh: bus NuBus, bus PCMCIA, red Ethernet, puerto SCSI, puerto serie. Estaciones de trabajo: HP : bus EISA,red Ethernet. Sun SPARCstation: bus SBus, puerto SCSI, red Ethernet. Silicon Graphics: puerto SCSI. IBM RS/6000: bus Micro Channel. DECstation 5000 y DEC Alpha: bus TURBOchannel, red Ethernet. DEC VAX y DEC MicroVAX: puerto SCSI. Mini y micro computadores: DEC: bus Q-BUS. Máquinas VME: bus VMEbus. NEC PC-9801: bus NEC9801. Máquinas STD. Máquinas MULTIBUS.

10 4.7. Otros buses de instrumentación 96 Los dispositivos que se pueden conectar incluyen osciloscopios digitales, multímetros (resistencia, fase, voltaje, potencia, etc), fuentes de alimentación, fuentes de señal (generadores de señales, sintetizadores, generadores de funciones, etc), analizadores (analizadores lógicos, de espectro, de vídeo, ect), contadores, registradores, scanners, calibradores, controladores, etc. Posteriores desarrollos han llevado a la modificación del estándar para facilitar el diseño y la productividad de sistemas de test, dando lugar a la especificación IEEE También se ha definido el entorno SCPI que facilita la tarea de la programación de los diversos instrumentos con independencia del fabricante. 4.7 Otros buses de instrumentación Bus VXI El bus VXI constituye el estándar para la interconexión de instrumentos modulares en forma de tarjeta y ha experimentado un enorme crecimiento en los últimos años. VXI utiliza un chasis que permite conectar hasta 13 tarjetas con diferentes formatos, lo que proporciona una estructura robusta. Este bus está basado en el estándar de instrumentación VME, por lo que también pueden conectarse dispositivos perteneciente a este estándar. También es posible interconectar dispositivos GPIB y tarjetas de adquisición de datos. Las configuraciones posibles son tres: Uno o varios chasis conectados a un computador de propósito general mediante GPIB, lo que permite seguir utilizando los comandos y utilidades software GPIB. Un computador empotrado en el interior de un chasis VXI con conexión directa al resto de los dispositivos, lo que proporciona el máximo rendimiento. Un computador externo conectado directamente al bus VXI a través del enlace MXIbus, que es una solución intermedia. El bus VXI combina por un lado la variedad de dispositivos y facilidad de interconexión y comunicación característicos de sistemas GPIB con la flexibilidad y modularidad de las tarjetas de adquisición. En el mercado existen multitud de instrumentos sofisticados, como son computadores empotrados, generadores de señal, multímetros, fuentes de alimentación, etc. Las plataformas en las cuales es posible construir un sistema VXI incluyen PC AT o EISA, PS/2 (bus Micro Channel), Macintosh (NuBus), Sun SPARCstation (SBus), IBM RS/6000 (Micro Channel), DECstation 5000 (TURBOchannel), etc.

11 4. Instrumentación basada en PC Bus CAMAC El bus de instrumentación CAMAC (Computer Automated Measurement And Control) presenta las siguientes características: 24 bits de datos en paralelo y 86 líneas de conexión. Expansión hasta 7 unidades locales en paralelo mediante un bus de extensión de 66 líneas. Expansión hasta 70 unidades remotas en serie mediante un enlace constituido por dos pares de cables. Software IML y FORTRAN. Velocidad máxima: 5 Mbits por segundo. El bus principal (Dataway) transporta señales de datos y de control dentro de una unidad (crate) formada por 24 elementos conectados y un controlador de unidad. 4.8 Adquisición de datos remota utilizando PC s Las aplicaciones remotas constituyen un grupo importante dentro de las aplicaciones de adquisición de datos. Esto es debido a que en numerosas ocasiones no es aconsejable o incluso posible colocar al computador en las inmediaciones del punto de toma de datos. Las aplicaciones remotas pueden clasificarse, siguiendo un orden de complejidad creciente en las siguientes categorías: Basadas en módulos de adquisición. Basadas en armarios pasivos de adquisición remota. Basadas en armarios inteligentes de adquisición remota. La complejidad hace referencia, en este caso, al número de canales a muestrear y a la velocidad de adquisición Interfaces de conexión En las aplicaciones remotas existe siempre un compromiso entre velocidad de transmisión y distancia. Para distancias cortas se emplean interfaces seriales estándar, variando el tipo en función de los requerimientos de velocidad y la distancia.

12 4.8. Adquisición de datos remota utilizando PC s 98 RS-232: 20 metros/20kbaud RS-422: 1200 metros/100kbaud RS-485: 20 metros/20kbaud La interfaz RS-232 presenta las ventajas de una amplia disponibilidad, comunicación full duplex y la posibilidad de emplear terminales tontos. Como factores negativos tenemos la baja inmunidad al ruido, distancia de transmisión reducida máxima de 70 metros y conexión múltiple en daisy-chain (retardos, baja fiabilidad). La interfaz RS-485 ofrece una elevada inmunidad al ruido, alta velocidad de transmisión y conexiones en paralelo, aunque tiene en contra la menor disponibilidad y la comunicación half duplex. Cuando la distancia aumenta se emplean diferentes estrategias como son: Reducción de la velocidad Lo que permite mejorar la distancia empleando la misma conexión. Repetidores Amplifican la señal para incrementar la distancia de transmisión. Dejan de ser rentables cuando su número por conexión crece demasiado (más de cuatro). Módems de fibra óptica Proporciona elevadas distancias de comunicación (3.5 km) con alta velocidad (19,2 kbaud). Otros aspectos interesantes son su inmunidad al ruido electromagnético y el aislar eléctricamente la aplicación del computador. Módems de distancia corta Líneas dedicadas sobre las que se puede llegar hasta 40 km en distancia y 38,8 kbaud en velocidad (valor típico 19,2 kbaud en 1250 m). Módems de línea telefónica analógica Líneas de teléfono con comunicaciones desde 1,2 a 57,6 kbaud. La adquisición remota basada en módulos emplea módulos inteligentes basados en microcontrolador para capturar las señales y enviarlas al PC vía RS-232 o RS-485. Normalmente disponen de líneas de entrada para voltaje, corriente, termopares, cargas resistivas, frecuencia y señales digitales. Pueden alimentarse de modo local o remoto e incorporan etapas de acondicionamiento de señal. Los módulos remotos son programables vía serie. Los conjuntos de instrucciones más comunes incluyen: Alarmas Habilitar y deshabilitar alarmas, fijar límites superior e inferior, leer límites. Señales digitales Leer entradas, activar salidas. Señales analógicas Leer datos. Configuración Reinicio, lectura/escritura de opciones, calibración.

13 4. Instrumentación basada en PC 99 Los racks o armarios de adquisición remota se emplean en aquellas aplicaciones en las que los requerimientos bien en número de señales a leer bien en velocidad de muestreo superan las prestaciones de los módulos de adquisición remotos. Los armarios de adquisición son cajas reforzadas, de tamaño estándar industrial (19 pulgadas) que contienen en su interior todo el material necesario para realizar la adquisición de datos, desde las tarjetas, las interfaces de comunicación o la alimentación del sistema, todo ello insertado en un conector pasivo. Constituyen una alternativa robusta con una considerable capacidad de expansión. El principal inconveniente de los armarios de instrumentación es la falta de un estándar único. Existen multitud de sistemas propietarios incompatibles entre sí que fuerzan al usuario a casarse con un determinado fabricante. Los armarios de instrumentación inteligentes son sistemas que incorporan, dentro de las tarjetas conectadas, un computador. Esta opción permite realizar un preprocesamiento de los datos adquiridos antes de transmitirlos al destino. De esta forma, se consigue reducir la información a transmitir, aprovechando mejor el ancho de banda disponible. Estos sistemas son similares a disponer de un PC industrial con tarjetas de adquisición en su interior, sin embargo, a diferencia de estos últimos, no suelen estar pensados para que el usuario interaccione directamente con ellos Guía de selección para aplicaciones de adquisición de datos remotas Distancia corta (menos de 30 metros) Tamaño de la aplicación: pequeña (menos de 5 canales) remotos con interfaz RS-232 o RS-485. de adquisición con interfaz RS-485. de adquisición inteligentes con interfaz paralela. Tamaño de la aplicación: media (entre 5 y 30 canales) remotos con interfaz RS-485. de adquisición con interfaz RS-485. de adquisición inteligentes con interfaz paralela. Tamaño de la aplicación: grande (más de 30 canales) Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-232 o RS-485.

14 4.8. Adquisición de datos remota utilizando PC s 100 de adquisición con interfaz RS-485. de adquisición inteligentes con interfaz paralela. Distancia media (entre 30 y 3000 metros) Tamaño de la aplicación: pequeña (menos de 5 canales) remotos con interfaz RS-485. de adquisición con interfaz RS-485. de adquisición inteligentes con interfaz paralela. Tamaño de la aplicación: media (entre 5 y 30 canales) remotos con interfaz RS-485. de adquisición con interfaz RS-485. de adquisición inteligentes con interfaz paralela. Tamaño de la aplicación: grande (más de 30 canales) Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-485. de adquisición con interfaz paralela. de adquisición inteligentes con interfaz paralela. Distancia lejana (entre 3 y 50 km) Tamaño de la aplicación: pequeña (menos de 5 canales) remotos con interfaz RS-232 y módems de 1200 baudios para líneas ordinarias. de adquisición con interfaz RS-232 y módems de baudios con compresión sobre líneas dedicadas. de adquisición con módems de corto alcance. Tamaño de la aplicación: media (entre 5 y 30 canales)

15 4. Instrumentación basada en PC 101 remotos con interfaz RS-232 y módems de 1200 baudios para líneas ordinarias. de adquisición con interfaz RS-232 y módems de baudios con compresión sobre líneas dedicadas. de adquisición con módems de corto alcance. Tamaño de la aplicación: grande (más de 30 canales) remotos con interfaz RS-232 y módems de 2400 baudios para líneas ordinarias. de adquisición con módems de corto alcance. de adquisición con módems de corto alcance. Distancia muy lejana (más de 50 km) Tamaño de la aplicación: pequeña (menos de 5 canales) remotos con interfaz RS-232 y módems de 1200 baudios para líneas ordinarias. de adquisición con interfaz RS-232 y módems de baudios con compresión sobre líneas dedicadas. de adquisición inteligentes con módems de baudios y compresión sobre líneas dedicadas. Tamaño de la aplicación: media (entre 5 y 30 canales) remotos con interfaz RS-232 y módems de 1200 baudios para líneas ordinarias. de adquisición con interfaz RS-232 y módems de baudios con compresión sobre líneas dedicadas. de adquisición inteligentes con módems de baudios y compresión sobre líneas dedicadas. Tamaño de la aplicación: grande (más de 30 canales) remotos con interfaz RS-232 y módems de 2400 baudios para líneas ordinarias.

16 4.9. Adquisición de datos en red y Fieldbus 102 de adquisición inteligentes con módems de baudios y compresión sobre líneas dedicadas. de adquisición inteligentes con módems de baudios y compresión sobre líneas dedicadas. 4.9 Adquisición de datos en red y Fieldbus La adquisición de datos en red surge de la mezcla de dos tecnologías, la interconexión de equipos mediante red y la adquisición de datos, en un entorno común. Básicamente, son posibles tres aproximaciones: Adquisición de datos en una red Cliente/Servidor En este esquema, el sistema de adquisición de datos está conectado a uno de los clientes de la red. Los datos son transferidos al servidor, desde donde son accesibles al resto de los clientes. Adquisición de datos en una red peer-to-peer En aplicaciones de dimensión menor puede emplearse este esquema de comunicación todos contra todos, de forma que los datos son transferidos directamente desde el cliente de adquisición a las aplicaciones que corren en los clientes de procesamiento. Adquisición de datos con conexión directa a la red Esta alternativa consiste en equipar a los propios elementos de adquisición con interfaces de red, de manera que no es necesario acceder al recurso de las comunicaciones desde un PC dedicado. Las ventajas de esta opción son la reutilización de instalaciones y las altas velocidades de transferencia, todo ello a costa de una mayor complejidad de configuración Fieldbus El Fieldbus es un estándar en comunicaciones con sensores y actuadores de campo que pretende reemplazar los bucles de corriente (4-20 ma) utilizados tradicionalmente por señales digitales. Cuatro son las propiedades fundamentales caracterizan esta propuesta: Sustitución digital de los bucles 4-20 ma. Funciones de control, alarma, tendencia y otras distribuidas sobre los dispositivos de campo. Interconexión entre dispositivos de distinto fabricante. Sistema abierto.

17 4. Instrumentación basada en PC 103 Las ventajas fundamentales del Fieldbus derivan de su naturaleza digital, y se traducen en una mayor fiabilidad y velocidad en las comunicaciones, el acceso remoto a opciones de configuración y diagnóstico, la lectura de múltiples variables desde el mismo dispositivo o la reducción del cableado (posibilidad de conectar múltiples dispositivos al mismo cable). Otro aspecto importante es la sustitución de muchas funciones hardware por bloques de funciones software, con el consiguiente aumento de la flexibilidad, rapidez de reconfiguración o capacidad de expansión. La arquitectura del sistema consta de dos partes: interconexión y aplicación. La primera está vinculada a la transferencia de datos entre los diferentes elementos del sistema, mientras que la segunda hace referencia a la función desempeñada por el sistema. La arquitectura de interconexión se estructura en tres niveles que están relacionados con otros tres niveles del modelo OSI (estándar ISO): nivel físico (1), nivel de enlace (2) y nivel de aplicación (7). Un dispositivo Fieldbus posee tres procesos en el nivel de aplicación: el bloque funcional, el gestor de la red y el gestor del sistema. La comunicación a través del medio físico admite diferentes configuraciones en cuanto a soporte (cable, fibra óptica, radio) y velocidad (31.5 kbits/seg, 1 Mbit/seg, 2.5 Mbit/seg). Los datos se intercambian en forma de señal serial síncrona half-duplex, van precedidos de un preámbulo de sincronización y emplean codificación Manchester (Biphase L). Las distancias alcanzables dependen lógicamente de la velocidad. Así, la separación máxima permitida entre dispositivos varía desde 1900 m a kbits/seg hasta 500 m a 2.5 Mbit/seg. Fieldbus permite establecer múltiples canales para comunicar a los procesos del nivel de aplicación. Estas comunicaciones, que pueden ser simultáneas, se modelan de dos formas distintas: modelo cliente/servidor para las comunicaciones acíclicas y modelo publicación/subscripción para las cíclicas. El sistema de control se organiza siguiendo un paradigma de programación orientada a objetos. Los objetos base son las variables: enteros, ristras, valores en coma flotante, etc. Se define una jerarquía en la que las variables constituyen los parámetros de los bloques funcionales, que forman parte del proceso de aplicación, que a su vez se encuentra dentro del dispositivo que integra el sistema. La configuración del sistema se realiza mediante los bloques funcionales. El usuario debe seleccionar los bloques necesarios para implementar la estrategia de control, interconectarlos y ajustar los parámetros para conseguir el comportamiento deseado. Los tipos de bloques básicos son: Bloques analógicos de entrada Corresponden a los elementos sensores. Además de la transferencia de las variables leídas, pueden incluir opciones de calibrado, preprocesado de los datos (filtrado, linealizado) o funciones de alarma.

18 4.9. Adquisición de datos en red y Fieldbus 104 Bloques PID Asociados a controladores que cierran los bucles de control. Admiten también funciones de alarma. Bloques analógicos de salida Vinculados a los efectores o actuadores finales.