CONTROL DE UN LABORATORIO REMOTO DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL DIDÁCTICO POR CONEXIÓN IP

Transcripción

1 CONTROL DE UN LABORATORIO REMOTO DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL DIDÁCTICO POR CONEXIÓN IP Franklin Johvany Caina López Cód Alexander Charry Gomez Cód Ing. Hermes Eslava Docente Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica Ingeniería En Control Bogotá D.C. Abril De 2011

2 TABLA DE CONTENIDO 1. MARCO TEORICO 1.1. Instrumentación industrial Clases de instrumentos Mantenimiento de instrumentos Aplicaciones en la industria 1.2. Protocolo IP 1.3. Laboratorios virtuales y/o remotos

3 INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL En todo proceso industrial por muy sencillo que sea siempre es indispensable controlar y mantener constantes. Los procesos industriales pueden llegar ser muy variados, pueden existir desde muy sencillos como la simple medición del nivel de un tanque, hasta la combinación de diversas variables para el control y manejo de una planta. La diversa fabricación de productos y suministro de servicios, nos exige un mínimo control de algunas magnitudes tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el PH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. El uso de algunos instrumentos diseñados para la medición y control de variables nos permite el cuidado y la regulación de estas constantes para mantener en condiciones ideales el uso de estas dentro de un proceso. La importancia del empleo de estos instrumentos hace que el operario se libere de su contacto directo con la planta al mismo tiempo, le ha concedido unas labores mínimas de supervisión y vigilancia desde puntos remotos de control, que bien pueden ser situados en el propio proceso o en salas aisladas. El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto. El área de instrumentación es multidisciplinaria, en ella se desempeñan profesionales de ingeniería eléctrica, electrónica, química, sistemas, mecánica entre otros. Como en la gran mayoría de las disciplinas de la ingeniería, los proyectos se ejecutan en diversas fases. El ciclo de vida completo de un sistema de instrumentación contempla desde la definición conceptual del proyecto, el diseño, la implantación, el arranque y puesta en marcha, la operación, el mantenimiento, y finalmente la desincorporación del mismo.

4 CLASES DE INSTRUMENTOS Según la función del instrumento, estos pueden clasificarse de la siguiente manera: Ciegos: sin indicación visible (alarmas); Indicadores: poseen un índice y una escala graduada; Registradores: capaces de graficar la evolución de la variable controlada; Sensores: captan el valor de la variable y envía una señal predeterminada; Transmisores: reciben la señal del sensor y la envían a distancia; Transductores: reciben una señal de entrada física y la convierten en una de salida (relé, convertidor PP/I o PP/P); Convertidores: reciben una señal de entrada procedente de un instrumento y la envían en forma de señal de salida estándar; Receptores: registran la señal procedente de los transmisores; Controladores: Comparan la variable controlada con un valor deseado y ejercen una adecuada acción correctiva. También pueden clasificarse en función de la variable de proceso. Estos pueden ser: instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad, humedad, viscosidad, posición, velocidad, conductividad, frecuencia, etc.

5 MANTENIMIENTO DE INSTRUMENTOS Los instrumentos requieren un mantenimiento para su funcionamiento que puede ser: Correctivo: reparación del instrumento por alto coste de servicio; Preventivo: revisión planificada a intervalos regulares; Predictivo: revisión por aviso de fallo del instrumento. APLICACIONES EN LA INDUSTRIA Existen varias aplicaciones típicas de instrumentos en los procesos industriales. Algunas de las operaciones de proceso que se utilizan con mayor frecuencia son: Caldera de vapor: se caracteriza por una capacidad nominal de producción de vapor en toneladas/hora a una presión especificada y con una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo de la fábrica. Secadores y evaporadores: tienen por objeto obtener el producto sólido con poca humedad y concentrar el producto en forma líquida al evaporar el agua respectivamente. Horno túnel: se realizan procesos de cocción basado en el mantenimiento de una curva de cocción que establece un programa preciso de temperatura distribuida de acuerdo con las tres zonas típicas del horno (precalentamiento, cocción y enfriamiento) y el transporte de la carga a una velocidad determinada. Columnas de destilación: consiste en separar en forma continua una mezcla por diferencia de composición entre un líquido y su vapor. Intercambiadores de calor: utilizado en la gran mayoría de los procesos industriales tales como precalentamiento, pasteurización, esterilización y refrigeración entre otras.

6 PROTOCOLO IP Aunque mucha gente está conectada a Internet poca se para a pensar cómo es posible que su ordenador sea capaz de entenderse con otro que ni siquiera sabe cómo es y que se encuentra al otro lado del mundo. Esto es posible gracias a que todos los ordenadores conectados a esta red hablan un lenguaje común, una especie de lingua franca, cuyo nombre TCP/IP es posible que también lo conozcan muchos, pero que pocos saben lo que es realmente. TCP/IP, el conjunto de protocolos que es el fundamento de Internet, es la denominación que recibe una familia de protocolos diseñado para la interconexión de ordenadores, independiente de su arquitectura y del sistema operativo que ejecuten, de la tecnología usada a bajo nivel para conexión y que proporciona una conectividad universal a través de la red con reconocimiento de extremo a extremo. Nació de la necesidad de conseguir dentro de ARPA, semilla de Internet, los objetivos citados anteriormente, y gracias a la expansión de Internet se ha convertido en un estándar de hecho debiendo parte de su gran popularidad al hecho de ir incorporado dentro de los sistemas operativos Unix, a su independencia del fabricante, a estar soportado en múltiples tecnologías y a que puede funcionar en máquinas de cualquier tamaño. Clases de direcciones. Subredes y máscaras. IP trabaja con casi todos los protocolos de redes de área local y extensa, usando un esquema de direccionamiento independiente del esquema de direcciones de la red. Cada nodo en una red IP tiene una dirección numérica de 4 bytes (32 bit). Esta dirección se suele representar por cuatro números entre 0 y 255 separados por puntos, y tiene dos partes, la primera comenzando por la izquierda representa la red, y la segunda representa al nodo en ella. La longitud de cada una de las partes no es fija sino que depende de la dirección. Atendiendo a esta diferencia las direcciones IP se clasifican en cinco clases. También hay que hacer constar que dentro del número de nodo, hay dos especiales, el que tiene todos los bits a 0 que

7 representa a la red y el que tiene todos los bits a 1 que representa a todos los nodos. Veamos un ejemplo de dirección IP en los dos formatos, numérico y binario: == Como hemos dicho existen 5 clases de direcciones que se caracterizan por el valor de los bits más significativos de la parte de la dirección que corresponde a la red: Direcciones de clase A. Se caracterizan por tener a 0 el primer bit del campo de red que tiene una longitud de 8 bit, correspondiendo los otros 24 a la dirección del nodo. Las direcciones correspondientes van de la a la por lo que hay 128 redes de clase A que ya están todas asignadas en INTERNET. La red 10 está reservada para crear redes ocultas dentro de las organizaciones, redes que no son visibles para el resto de la INTERNET. Direcciones de clase B. Se caracterizan por tener los dos primeros bit del campo de red con la secuencia 10 y la longitud del mismo es de 16 bit al igual que la del campo de nodo. Las direcciones correspondientes van de la a la La gran mayoría de estas redes están ya asignadas por lo que es difícil conseguir una. Dentro de este rango, desde la a la están reservadas para la construcción de redes ocultas.

8 Direcciones de clase C. Se caracterizan por tener un campo de red de 24 bit de longitud que comienza por 110 correspondiendo 8 bit a la dirección del nodo. Las direcciones correspondientes van de la a la de las que de la a la están reservadas para redes ocultas. Por tanto de clase C existen redes. Direcciones de clase D. Se caracterizan porque su dirección comienza con la secuencia de bit 1110 y corresponden a las direcciones desde la a la Estas direcciones reciben el nombre de multicast y en ellas desaparecen el concepto de red. Cada una no designa a un nodo sino a un grupo de nodo. Un paquete dirigido a una dirección multicast en entregado a todas las máquinas que componen el grupo. Direcciones de clase E. Se caracterizan porque su dirección comienza con la secuencia 1111 y van de la a la Son direcciones especiales, reservada por la IANA y solo está asignada la que corresponde a todas las máquinas conectada a un soporte físico.

9 LABORATORIOS VIRTUALES Y/O REMOTOS Tradicionalmente, para la realización de las sesiones prácticas de una asignatura de ingeniería es necesario que el usuario asista a unos horarios fijos en un laboratorio que posee unos dispositivos físicos limitados. Sin embargo, la realización de experimentos con plantas reales suele ser costosa en términos de tiempo, dinero y energía, ya que requiere la puesta a punto de unas infraestructuras docentes normalmente caras que son difíciles de mantener en buenas condiciones. Además, es frecuente que una vez que estas infraestructuras sean puestas a punto permanezcan infrautilizadas debido fundamentalmente a la limitación en el tiempo que pueden ser utilizadas por parte de los usuarios y a que se suele tratar de infraestructuras sensibles a usos indebidos que éstos les puedan dar dificultándose la realización de las necesarias prácticas con equipos reales. Por otra parte, en la actualidad, se está demostrando que las nuevas tecnologías como Internet o la realidad virtual permiten que el usuario pueda realizar los ejercicios prácticos desde su casa utilizando los denominados laboratorios virtuales. Evidentemente, entre estas herramientas cabe señalar las TIC (Tecnologías de la Información y las Comunicaciones). Se podría clasificar los laboratorios en función de dos criterios: (1) La forma de acceder a los recursos (local o remota) para propósitos de experimentación y (2) la naturaleza del sistema físico (real o virtual), con lo que los entornos de experimentación quedarían clasificados de acuerdo a la siguiente tabla: Clasificación de los entornos experimentales A pesar de que nada puede compararse con la interacción real con las plantas físicas (laboratorios reales y presenciales), afortunadamente existen otras

10 opciones que proporcionan a los alumnos la impresión de que están interactuando con plantas reales. Así, normalmente se entiende por laboratorio remoto aquél que existe y puede ser manipulado de forma remota a través de Internet, haciendo uso de Webcams, hardware específico para la adquisición local de datos y software para dar una sensación de proximidad con el equipamiento y por laboratorio virtual (local o remoto), o utilizando software informático genérico o específico para recrear el comportamiento de plantas de experimentación que sólo existen en ordenadores usados para la simulación. Si bien ya es conocido el concepto tradicional de laboratorio físico, los conceptos de simulación, instrumento virtual, instrumento remoto, laboratorio remoto y laboratorio virtual no terminan de ser claras, ya que será el fin de este trabajo presentar un entorno de experimentación virtual y/o remota, es indispensable profundizar en algunas definiciones y realizar una clasificación de las diferentes formas. En base a la investigación realizada se propone las siguientes definiciones: a. Instrumento virtual (IV). Sistema modelado con todas sus capacidades de procesado, sensores y controles contenidos en uno o más ordenadores, que permite el acceso local a los recursos reales y/o simulados. b. Instrumento remoto (IR). Instrumento virtual o físico con capacidad de comunicación a través de la red, cuya función es permitir la comunicación a distancia de los recursos físicos y/o simulados. c. Laboratorio remoto (LR). Lugar o entorno cuya función es realizar un control sobre un sistema físico a distancia, con el objetivo de teleoperar un sistema real, realizar experimentos y acceder a los datos a través de la red para obtener medidas. d. Laboratorio virtual (LV). Instrumento/s simulado/s contenido/s en uno o más ordenadores, conectados o no entre sí, con capacidades de gestión y/o aprendizaje de contenido.

11 e. Laboratorio virtual y remoto (LVR). Sistema físico real y/o simulado accesible desde Internet con capacidades de gestión, aprendizaje de contenido y/o reservas de recursos compartidos. Arquitectura de referencia para la construcción de laboratorios remotos Aspecto de la aplicación remota de un laboratorio de acceso remoto.