Alternativas de Solución. Proyecto de Titulación. Integración de un Densímetro Nuclear a una Red de Instrumentación

Transcripción

1 UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Alternativas de Solución Proyecto de Titulación Integración de un Densímetro Nuclear a una Red de Instrumentación Presentado por: Rodrigo Díaz Silva ROL USM: Profesor guía: Sr. Manuel Olivares Salinas Fecha: 07/06/2015

2 ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN 1. Modelo Según lo visto en los trabajos [1] y [2] el modelo fijado mediante el cual se integrara el densímetro nuclear a las redes industriales de control es el mostrado por la figura 1. Figura 1: Diagrama de funcionamiento. Este modelo de funcionamiento muestra los dispositivos necesarios para la implementación del densímetro nuclear a una red de instrumentación, ya sea comunicándose mediante la red análogo/digital HART o la red digital ProFiBus. A continuación se revisan las alternativas para cada uno de los dispositivos. 2. Dispositivos ASICs. Para lograr la comunicación entre el Densímetro Nuclear y las respectivas redes de instrumentación, se necesita de la implementación de dispositivos ASICs dedicados a cada uno de los protocolos de comunicación. A continuación se muestran diversas alternativas para cada protocolo, mostrando su precio, velocidades de comunicación y acondicionamiento del dispositivo. 1

3 2.1 Profibus. En la web se encuentran un gran número de ASIC disponibles para esta función SPC3 Protocolos: Profibus DP, DP-V1 Velocidad: 9,6 kbps-12mbps(rs 485) Implementación: SPC3 + Procesador + Software para el dispositivo. Comunicación c/up: Puerto paralelo 8bits. Valor: 6 x c/u U$20,23 Este dispositivo está pensado solo como esclavo. Requiere de un micro-procesador con puerto paralelo de 8 bits para la establecer la comunicación con el dispositivo y que este funciones correctamente con la red de instrumentación VPC3+S Protocolos: Profibus DP, DP-V1, DP-V2 Velocidades: 9,6kbps-12Mbps Implementación: VPC3+S + procesador + software para el dispositivo Comunicación c/up: SPI,I2C,interface Paralela. Valor: U$15,5 2

4 Este dispositivo está pensado solo como esclavo. Requiere para su funcionamiento de un microcontrolador y de un software para ser programado, lo que le agrega valor a este dispositivo. Se comunica por SPI, I2C y comunicación paralela MPI12X Protocolos: Profibus DP, DP-V1,DP-V2 Velocidades: hasta 12Mbps Implementación: MPI12X(configurable con microcontrolador) Comunicación c/up: Interfaz paralela 8-bit. Valor: U$18,8 Este dispositivo puede actuar por si solo o con un microcontrolador. De funcionar con un microcontrolador, se debe comprar el software para programar el dispositivo además del procesador que albergue el protocolo Proficonn Protocolos: Profibus DP, DP-V1, DP-V2 Velocidades: 9,6 kbps -12Mbps Implementación: proficonn + Microcontrolador Comunicación c/up: SPI Valor: U$65 3

5 Este dispositivo está basado en el ASIC VPC3+S en conjunto con otros elementos. Requiere de un microcontrolador para su correcto funcionamiento. El software para implementar ProfiBus DP-V0 es entregado por el proveedor en un código c a cargar en el microprocontrolador. Para las demás versiones de profibus hay que pagar. 2.2 Hart. El protocolo de comunicación HART (highway addressable remote transducer) es un bus digitalanálogo, lo que quiere decir que por el mismo par trenzado viajan señales digitales y análogas. Las señales análogas son las correspondientes al estadar 4-20 ma; en cambio las señales digitales están moduladas por FSK (Frecuency Shift Keying), en la cual existen 2 frecuencias una representando un 1 lógico y la otra representando un 0 lógico. En la web se encuentran un gran número de ASIC que realizan esta función DS8500 Protocolo: HART Velocidades: 1200/2200 Hz Implementación: DS8500+ Microcontrolador + Otros componentes Comunicación c/up: SPI Valor:U$12,55 4

6 Este dispositivo funciona como modulador y demodulador para la para la señal digital. Necesita de un microcontrolador y más componentes para su implementación. Se debe sumar a la salida digital se debe sumar la señal análoga proveniente de otro dispositivo. El protocolo debe ser cargado en el microcontrolador NCN5192 Protocolo: HART Velocidades: 1200/2200 Hz Implementación: NCN5292+microcontrolador + otros componentes Comunicación c/up: SPI Valor: U$ 3.26 Este dispositivo funciona como modulador y demodulador de la señal digital del protocolo. Para su implementación necesita de un microcontrolador, que contenga el protocolo en su memoria, junto con otros componentes electrónicos. Para este dispositivo no es necesario agregar algún ASIC que entregue la señal análoga, ya que este mismo la provee AD5700 Protocolo: HART Velocidades: 1200/2200 Hz Implementación: MCP-15QN + Microcontrolador + otros componentes Comunicación c/up: UART Valor: U$ 10 Este dispositivo funciona como modulador y demodulador de la señal digital de protocolo. Para su implementación necesita de un microcontrolador, que contenga el protocolo programado, junto 5

7 con otros componentes. Para la señal análoga necesaria agregar otro ASIC para generar la señal análoga y sumar las señales ma Como vimos se vio en puntos anteriores, en la mayoría de los ASIC para HART es necesario generar la señal análoga externamente al chip, y luego ser sumadas estas dos señales para lograr cumplir con el protocolo. En la web podemos encontrar un gran número de dispositivos que realizan esta función AD694 Protocolo: 4-20ma Velocidades: Señal analoga Implementacion: AD694+ señal analógica+ componentes electrónicos Comunicación c/up: Por medio analógico Valor: U$ 12 Este dispositivo sirve para generar la señal análoga de 4 a 20 ma, la cual se genera desde una señal de voltaje entregada entre sus terminales de entrada. Para poder sumarla al protocolo HART se necesita de un sumador de señales que permita la suma de estas dos. 6

8 2.3.2 MAX15500 Protocolo: 4-20 ma Velocidades: 40 us Implementación: MAX microcontrolador + componentes electrónicos Comunicación c/up: SPI Valor: U$ 4 Este dispositivo permite la transformación de un valor digital a uno análogo en el estándar 4-20 ma. Para la conversión además de necesitar componentes electrónicos, se debe comunicar el dato de forma digital por comunicación SPI desde un microcontrolador o algún dispositivo similar. 7

9 2.3.3 AD421 Protocolo: 4-20 ma Velocidades: 8ms Implementación: AD421 + microcontrolador+ componentes electrónicos Comunicación c/up: Normal Serial comunicación Valor: U$ 15 Este dispositivo permite transformar valores digitales a la señal estandarizada de 4-20 ma. Para realizar esta comunicación se debe enviar por medio del pin data, el valor digital en forma serial desde un microcontrolador. Además se requiere de algún dispositivo que genere las señales del protocolo HART, para luego ser sumadas las señales. 3. Microcontrolador o Tarjetas de Desarrollo Para poder seleccionar el microcontrolador existen dos opciones, usar microcontroladores y diseñar la circuitería para que este funcione, o utilizar tarjetas de desarrollo tales como Arduino, Ti LaunchPad u otros más sofisticados. Para nuestro proyecto utilizaremos tarjetas de desarrollo, por su fácil implementación además de la disponibilidad que existe de ellas. A continuación se revisaran algunas opciones. 8

10 3.1 Arduino Mega Arduino Mega. Esta tarjeta de desarrollo trabaja con un Micro-controlador de Atmel, el atmega1280. Dentro de las características principales podemos reconocer 16 MHz de velocidad, 54 I/O pins, memoria de 128 KB, SPI, I2C, PWM, Interrupciones externas, comunicación serial, 4 UART TTL, FTDI, CAD 10 bits. Estas características nos permiten que nos podamos conectar con distintos dispositivos como los vistos en las secciones anteriores. Programable con el IDE de Arduino además de la programación en C por medio de WinAvr o Atmel Estudio.Su costo es de U$ TI LanchPad TI LaunchPad Este dispositivo trabaja con un microcontrolador de Texas Instruments, un ARM de 32 bits (Cortex-R4 lock-step CPUs). Sus características principales son memoria de 384 KB, velocidad de 100 MHz, CAD 14 bits, SPI, UART, SCI, CAN. Programable con Energia, una IDE diseñada para esta tarjeta, muy similar a la de Arduino.Su valor es de U$ 20. 9

11 3.3 Parallax Propeller ASC+ Parallaz Propeller ASC+. Esta tarjeta de desarrollo trabaja con 8 Microcontroladores al unísono. Estos se agrupan en un chip llamado son P8X32A. Alguna de sus características son 32 KB de memoria, velocidad de 5 MHz, PWM, I2C, SPI, UART, ADC 12 bits. Esta tarjeta de desarrollo necesita de una IDE de programación gratuita disponible en la página web del fabricante, además de la compatibilidad con los shield de arduino. Su valor es de U$

12 4. Soluciones Como se puede apreciar en los puntos anteriores, y según el diagrama de bloques que representa la solución a seguir, existe un gran número de soluciones posibles según los dispositivos disponibles para satisfacer nuestras necesidades. Alguna de las configuraciones son las siguientes: Figura 2: Modelo Solución 1. Figura 3: Modelo Solución 2. En el siguiente informe se analizan cuál de todas las opciones es la mejor a optar. 11

13 Bibliografía [1]Memoria de Titulación para optar al Título de Ingeniero Civil Electrónico, Diego Valencia Lohrmann, Desarrollo de un dispositivo esclavo Profibus-DP en base al estándar IEC61158, Universidad Técnica Federico Santa María, año 2010, Valparaíso. [2]Trabajo de Grado para optar por el título de Ingeniero Electrónico, Walder de Jesús Canova García y Andrés Felipe Giraldo Otero, Diseño e implementación de un programador de transmisores de presión Honeywell basado en el protocolo HART. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] 12