Sistema de Supervisión Remoto del Aire Comprimido en la Central Hidroeléctrica San Agatón SISACC

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA VICERRECTORADO ACADEMICO AREA DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA DE SISTEMAS Sistema de Supervisión Remoto del Aire Comprimido en la Central Hidroeléctrica San Agatón SISACC Autor: Gengis A. Nieto M. C.I Nº V Tutor Académico: Ing. Pablo León. Centro Local: Táchira (18) Tutor Industrial: Ing. Yliana Perdomo. Jefe del Departamento de Operaciones Central Hidroeléctrica San Agatón Táchira Carrera: Ingeniería en Sistemas San Cristóbal, Julio 2009

2 APROBACIÓN DEL TUTOR ACADÉMICO En mi carácter de Tutor Académico, del proyecto de tesis, del SISTEMA DE SUPERVISIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO EN LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA SAN AGATÓN, SISACC, presentado por el Bachiller Gengis A. Nieto M., portador de la Cédula de Identidad V , para optar al Titulo de Ingeniería de Sistemas, mención el cual fue desarrollado en la Hidroeléctrica San Agaton, en el Estado Táchira, durante el lapso comprendido desde Enero 2008 hasta Diciembre 2009, considero que reúne los requisitos y meritos suficientes para ser sometido a la presentación pública y evaluación por parte del Jurado examinador que se designa. En la Ciudad de san Cristóbal a los 8 días del mes de Diciembre del año Ing. Pablo Emilio León C.I.V iii

3 ÍNDICE ÍNDICE...vi LISTA DE CUADROS... viii LISTA DE FIGURAS...ix RESUMEN... x INTRODUCCIÓN... 1 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO... 3 Sistema de Adquisición de Datos Módulos de un sistema de adquisición de datos... 4 Microprocesadores (Up)... 5 Microcontrolador (Uc)... 5 Tipos de Comunicación... 9 Protocolo RS Aplicaciones de los microcontroladores Ventajas del uso de los microcontroladores Lenguajes de programación Automatización Industrial Sistemas electrónicos industriales II ANTECEDENTES DEL PROBLEMA Antecedentes Identificación de la Empresa III EL PROBLEMA Y LA PROPUESTA DE LA SOLUCION Planteamiento del Problema Objetivos del Proyecto Objetivo General Objetivos Específicos Justificación e Importancia Propuesta de Solución Metodología de Trabajo a Utilizar Metodología de Diseño para Sistemas Electrónicos y Digitales Metodología de Desarrollo de Prototipos de Sistemas de James A. Seen pp. vi

4 IV DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN Determinación de requerimientos básicos Descripción del Circuito Simulación del Circuito de adquisición de datos Simulación del código sintetizado Programación del dispositivo Metodología de Desarrollo de Prototipos de Sistemas de James A. Seen Desarrollo de un prototipo de trabajo Diseño estándar de las entradas Diseño de salidas Implantación y pruebas del prototipo CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS ANEXOS vii

5 LISTA DE CUADROS CUADRO pp. 1 Protocolo RS Protocolo DB25 y DB Estado de los compresores según las entradas del microcontroloador viii

6 LISTA DE FIGURAS FIGURA pp. 1. Microcontrolador PIC16F877 de la empresa Microchip. Microcontrolador ATMEGA Formato de comunicación sincrónica Formato de comunicación asincrónica Transmisión típica entre un DTE y un DCE. Ejemplo donde se muestran las líneas de transmisión y referencia Conector GPIB USB Conector DB 25 y Conector DB Diagrama de las especificaciones del estándar RS-232C Sistema electrónico industrial genérico, Según Martín del Brío (1999) Edificio sede central de CADAFE en el Márquez Caracas Edificio de la central hidroeléctrica San Agatón Organigrama de la Central San Agatón Flujo de diseño para sistemas electrónicos y digitales Flujo de diseño para el método de desarrollo de prototipos Diagrama general del sistema de monitoreo para el aire comprimido de la central Diagrama de Flujo General Circuito Adquisición de Datos Diagrama de flujo específico del Interruptor Diagrama de flujo específico del protocolo RS Diagrama circuital general del circuito de monitoreo de los compresores de aire a la central Diagrama circuital de la etapa sensora Posición de los sensores en la tarjeta de adquisición de datos Diseño circuital después de la síntesis Tarjeta de adquisición de datos y sus componentes Modulo principal del Sistema SISACC Modulo de Configuración del puerto Módulo de Monitoreo Módulo de Mantenimientos del SISACC Módulo de Gráficos del SISACC Módulo de Reportes del SISACC Reporte diario del Estado de los Compresores ix

7 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA VICERRECTORADO ACADEMICO AREA DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA DE SISTEMAS SISTEMA DE SUPERVISIÓN REMOTO DEL AIRE COMPRIMIDO EN LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA SAN AGATÓN, SISACC Autor: Gengis A. Nieto M. Tutor Académico: Ing. Pablo León Asesor Empresarial: Ing. Yliana Perdomo Fecha: Julio 2009 RESUMEN El Sistema de Supervisión para el aire comprimido de la central SISACC, fue propuesto como prototipo, con el propósito de llevar una supervisión a distancia de los dos compresores que conforman el sistema de aire comprimido. Este proceso se efectuará conectando los dos compresores con la sala de mando de esta central a través de una tarjeta de interfase, compuesta principalmente por un microcontrolador, el cual recibirá constantemente señales de corriente alterna provenientes del tablero de control de los compresores y las enviara en formato hexadecimal al puerto serial del computador supervisor, indicándole el estado actual del sistema de compresores. El computador Servidor, se encargara a través de un software de la supervisión constante del sistema de aire comprimido. Para la construcción de la tarjeta de interfase se empleó la Metodología de diseño para sistemas electrónicos y digitales según Fernando Pardo, para el desarrollo del software de supervisión se ha seleccionado la metodología de diseño estructurada según Jame Seen y el lenguaje de programación de los módulos que se utilizó es el Visual Basic 6.0, este es el software que la empresa deberá comprar con su patente o licencia. Además, se recomienda un microcomputador mayor de Mhz. de velocidad, disco mayor a 200 Gb, memoria Ram de 1 Ghz o un equipo portátil con las características anteriores, y además una impresora, que sirva para emitir reportes continuos, la más recomendable es una impresora de punto o matriz de punto. x

8 INTRODUCCIÓN En la actualidad el vertiginoso desarrollo de la electrónica y la microelectrónica han motivado que todas las esferas de la vida humana se estén automatizando, por ejemplo: la industria, el hogar, los comercios, la agricultura, la ganadería, el transporte, las comunicaciones, etc. En todo ese proceso de automatización el microprocesador y el microcontrolador juegan un papel de suma importancia. Ellos han permitido el desarrollo de sistemas inteligentes que resuelven los más diversos problemas, son los llamados Sistemas de Adquisición de Datos. La Central hidroeléctrica San Agatón fue originalmente creada como la primera de tres centrales previstas en el Desarrollo Hidroeléctrico de los Andes Uribante - Caparo, está situada en la vía de la carretera nacional san Joaquín de Navay hacia pregonero estado Táchira. Uno de los procesos fundamentales que se realizan dentro de esta central y que ayuda a mantener la confiabilidad de las unidades generadoras es la producción de aire comprimido de servicio para la central, este proceso se logra mediante un sistema de aire comprimido para la central. El objetivo del desarrollo del presente trabajo es realizar un prototipo de adquisición de datos para el monitoreo remoto del sistema de aire comprimido en la central hidroeléctrica San Agatón. Este sistema esta formado por un modulo de adquisición de datos, el cual le trasmite la información a una computadora PC, ésta la procesa y su vez la almacena en una base de datos. Para la tarjeta captadora de datos se ha seleccionado el microcontrolador ATMEL89, el módulo de monitoreo remoto fue diseñado en Visual Basic 6, estos se comunican utilizando el protocolo de comunicaciones RS232. El ATMEL89 es un tipo de microcontrolador que funciona como un dispositivo para la adquisición de datos, por lo que permite recibir información 1

9 procesarla y trasmitirla a un PC a través de un programa. Finalmente, se desarrollo el informe, que se encuentra estructurado en tres capítulos: El presente informe está estructurado en cuatro capítulos, a través de los cuales presenta la información necesaria para la normal y completa comprensión del contenido. El capítulo I presenta los antecedentes del problema y la identificación de la institución para el cual fue desarrollado el sistema automatizado de supervisión, Se expone a su vez en este capitulo la estructura organizativa de la empresa C.A.D.A.F.E y de la central hidroeléctrica San Agatón, así como sus antecedentes, Misión, Visión. El capítulo II contiene el análisis de aspectos generales relacionados con la Automatización de Procesos industriales como Microcontroladores, Microprocesadores y diseño de interfases para control industrial a distancia y otros, esto con el fin de que el lector pueda entender todo el procedimiento que se ha hecho durante el desarrollo del trabajo de grado. En el capítulo III contiene el diseño para el desarrollo de la solución al problema planteado con las características de cada etapa. En el capítulo IV contiene la descripción de la solución obtenida, allí se describe el desarrollo de cada una de las etapas de la metodología aplicada y los resultados obtenidos, así como el diseño del sistema, diagramas y estructura de la base de datos, con otros puntos de de investigación como la fase de documentación e implantación del prototipo del sistema, y los anexos contiene el manual de usuario y otros detalles importantes del sistema. 2

10 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO Se introducirán aquí algunos conceptos previos para la comprensión de este trabajo, en el que se analizarán algunas definiciones sobre sistemas de adquisición de datos, microprocesadores, microcontroladores, automatización industrial, sistemas electrónicos industriales, aplicaciones de los microcontroladores, entre otros. Sistema de Adquisición de Datos. Un Sistema de Adquisición de Datos no es mas que un equipo electrónico cuya función es el control o simplemente el registro de una o varias variables de un proceso cualquiera, de forma general puede estar compuesto por los siguientes elementos. - Sensores. - Amplificadores operacionales. - Aisladores. - Multiplexores analógicos. - Multiplexores digitales. - Conversores Analógico-Digital (A/D). - Conversores Digital Analógico (D/A). - Microprocesadores. - Contadores. - Filtros. - Comparadores. - Fuentes de potencia. 3

11 Módulos de un sistema de adquisición de datos Un Sistema de Adquisición de Datos debe tener una estructura y organización muy equilibrada que le permita su buen funcionamiento de ello depende de que el mismo rinda al máximo y sin ningún defecto. Adquisición de datos La Adquisición de Datos consiste en tomar un conjunto de variables físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora personal PC. Se requiere una etapa de acondicionamiento que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo o tarjeta de Adquisición de Datos DAQ. Una vez que las señales eléctricas se transformaron en digitales, se envían a través del bus de datos dentro de la memoria del PC, se las puede procesar con un programa de aplicación adecuado al uso que el usuario desea, archivarlas en disco duro, graficarlas en pantalla, enviarlas por modem-fax, imprimirlas por impresora, etc. De la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en una digital para enviarla al ordenador, se puede también tomar una señal digital o binaria y convertirla en una eléctrica, en este caso el elemento que hace la transformación es una tarjeta o módulo de Adquisición de Datos de salida, o tarjeta de control. La señal dentro de la memoria del PC la genera un programa adecuado a las aplicaciones que quiere el usuario y luego de procesada es recibida por mecanismos que ejecutan movimientos mecánicos, a través de servomecanismos, que también son del tipo transductores. Un sistema típico de adquisición utiliza Sensores, transductores, amplificadores, convertidores analógicos a digital (A/D) y digital analógico (D/A), para procesar información acerca de un sistema físico de forma 4

12 digitalizada. Ventajas Flexibilidad de procesamiento, posibilidad de realizar las tareas en tiempo real o en análisis posteriores, gran capacidad de almacenamiento, rápido acceso a la información y toma de decisión, posibilidad de emular una gran cantidad de dispositivos de medición y activar varios instrumentos al mismo tiempo, facilidad de automatización, etc. Se utiliza en la industria, la investigación científica, el control de máquinas y de producción, la detección de fallas y el control de calidad entre otras aplicaciones. Microprocesadores (Up) Según Martín del Brío (1999): El microprocesador es un componente electrónico que realiza en una única pastilla, la tarea de la unidad central de procesamiento (CPU) de una maquina programable de tratamiento de la información, es decir, el microprocesador es un componente electrónico complejo que incorpora las funciones típicas de todo un computador. La clave del éxito de los microprocesadores reside en que modificando el programa almacenado en su memoria, pueden adaptarse a numerosas y diferentes aplicaciones, de manera que en la actualidad, debido a su creciente potencia de calculo variedad de funciones integradas, se han convertido en el estándar para la implementación de tareas, tanto de calculo como de control. Microcontrolador (Uc) Según Angulo Uzcátegui, Angulo Martínez y Romero Yesa (2000), 5

13 Un microcontrolador es un dispositivo electrónico encargado de, va lga la redundancia, controlar uno o más procesos, por ejemplo, el controlador del aire acondicionado, recogerá la información de los Sensores de temperatura, la procesará y actuará en consecuencia. Al principio, los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos. Más tarde, se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de entradas y salidas sobre una placa de circuito impreso (PCB), actualmente, los controladores integran todos los dispositivos antes mencionados en un pequeño chip. Esto es lo que hoy conocemos con el nombre de microcontrolador. Para Angulo Uzcátegui y otros (2000), un microcontrolador es un dispositivo complejo, formado por otros más sencillos. A continuación este autor describe los dispositivos más importantes de un microcontrolador: Un microcontrolador es un dispositivo electrónico capaz de llevar a cabo procesos lógicos. Estos procesos o acciones son programados por el usuario, y son introducidos en este a través de un programador. En el presente proyecto se uso el ATMEGA16, que es un microcontrolador CMOS de 8 bits de bajo consumo basado en la arquitectura RISC. Microcontroladores más utilizados Existe una gran variedad de microcontroladores usados en el diseño de los microbots en los que cabe destacar los de la familia Motorola 68HCxx, los PIC 16fxx y PIC 16F8xx de Microchip, BASICStamp que internamente contiene un PIC, los microcontroladores ATMEGA de ATMEL, 8051 o 8031 de INTEL, entre otros. Un Microcontrolador (µc) es un dispositivo integrado que incluye un microprocesador, memoria y dispositivos periféricos (dispositivos de ENTRADA y SALIDA, convertidores A/D, puerto de comunicación, etc.). Algunos son programados una vez y producidos para aplicaciones 6

14 específicas, tales como controlar su horno microondas. Otros son reprogramables, ya que pueden ser usados una y varias veces para diferentes aplicaciones. Los Microcontroladores son increíblemente versátiles, el mismo dispositivo puede controlar un aeromodelo, sistemas de automatización industrial, una tostadora, o incluso el ABS de un auto (sistema antibloqueo de los frenos). Debido a que existe una gran cantidad de microcontroladores a continuación se describe brevemente el microcontrolador ATMEGA16 de Atmel y un microcontrolador PIC de la microchip. Microcontrolador P1C16F877 El PIC es el microcontrolador que fabrica la compañía Microchip. Aunque no son los microcontroladores que más prestaciones ofrecen, en los últimos años han ganado mucho mercado, debido al bajo precio de estos, lo sencillo de su manejo y programación y la ingente cantidad de documentación y usuarios que hay detrás de ellos. En la figura 1 se observa un microcontrolador PIC de microchip. Figura 1. Microcontrolador PIC16F877 de la empresa Microchip. Microcontrolador ATMEGA16 7

15 El ATMEGA16 es un microcontrolador de 8 bits. Puede ser compilado en dos lenguajes de programación como lenguaje C y ensamblador. Es un integrado de baja potencia con tecnología CMOS basado en la arquitectura RISC. Este microcontrolador ejecuta instrucciones de un solo ciclo de reloj y tiene un gran rendimiento debido a su alto procesamiento permitiendo que el diseñador de sistema optimice el consumo de energía contra velocidad de proceso. Partiendo de la hoja de datos del fabricante, se obtuvo la siguiente información relevante (referida al microcontrolador ATMEGA16): - Arquitectura RISC avanzada instrucciones, la mayoría con tiempo de ejecución de un solo ciclo de reloj. - Operación totalmente estática: se permite cualquier frecuencia de reloj, desde 0 hasta 16 MHz registros de trabajo de 8 bits de uso general. - Hasta 16 MIPS a 16 MHz. - Multiplicador de 2 ciclos de reloj en chip. - Memoria de programa no volátil y de datos kb de memoria flash programable en sistema, o auto programable. Soporta hasta ciclos de borrado/escritura. 1kb de memoria SRAM líneas de entrada/salida programables. - USART serial programable. - Opera entre 4.5 a 5.5 Vdc. Los registros de trabajo son del tipo sistema AVR RISC y tienen la configuración de trabajo de 8 y 16 bits, como entrada y salida. Todos los puertos del ATMEGA16 tienen la particularidad de ser configurados con registros de 8 bits como lectura y escritura, también como salida y entrada digital. Si es el puerto A, solo se puede configurar como entrada analógica y salida digital. 8

16 Tipos de Comunicación Existen dos formas de intercambiar información binaria: Comunicación paralela y Comunicación serial. La comunicación paralela transmite todos los bits de un dato de manera simultanea y tiene la ventaja que la transferencia es rápida, pero la desventaja es la de necesitar gran cantidad de hilos o líneas, además cuando las distancias son muy grandes entre los dispositivos a conectar la comunicación decae drásticamente, debido a la creación de capacitancias entre los conductores, lo cual, limita el correcto intercambio de datos a solo pocos metros. La comunicación serial por su parte, transmite solo un bit a la vez, por lo que es mucho más lenta que la anterior, pero posee la ventaja de utilizar menos líneas de transmisión y también permite cubrir distancias más grandes para la transferencia de datos. La información en una cadena serial de bits esta contenida en su forma de onda dependiente del tiempo: los bits se representan por códigos que se transmiten por un periodo de tiempo fijo. El periodo de tiempo usado para transmitir cada código se conoce como periodo baud. Un dispositivo serial utiliza un protocolo de comunicación que es estándar para casi cualquier PC. No hay que confundirlo con el bus serial universal (USB). La mayoría de las computadoras incluyen dos puertos seriales RS-232. Serial es también un protocolo de comunicación para instrumentación en muchos dispositivos, y muchos dispositivos compatibles GPIB vienen con un puerto RS-232. Además, usted puede usar comunicación serial para adquisición de datos en conjunto con un dispositivo de muestreo remoto. Comunicación Serial El concepto de comunicación serial es simple. El puerto serial envía y recibe bytes de información, un bit a la vez. Aunque esto es más lento que la 9

17 comunicación paralela, la cual permite la transmisión entera de bytes de una sola vez, es más sencillo y puede utilizarlo en distancias grandes. Por ejemplo, las especificaciones IEEE 488 para comunicación paralela definen que el cableado entre equipos no debe ser mayor de 20 m en total, con no más de 2 m entre dos dispositivos cualquiera; en comunicación serial pueden extenderse hasta 1200 m. Existen dos tipos de comunicación serial: la sincrónica y la asincrónica. La primera en este tipo de transferencia serie, el emisor envía los bytes de datos continuamente, uno detrás de otro, hasta terminar todos. Los bytes de información van precedidos por uno o dos bytes de sincronismo. El receptor tiene que autosincronizarse con los bits que recibe. En la Figura 2 se presenta el formato general de la comunicación serial sincrónica. Figura 2. Formato de comunicación sincrónica En la comunicación asincrónica los bits a transferir en serie se dividen en pequeños paquetes o grupo, que se envían precedidos por una señal de inicio y seguidos por una señal de parada. Cada grupo de bits, en general, son de 8 bits, lo que equivale a una palabra. En el caso más sencillo los 8 bits a transferir van precedidos por un bit de inicio (Start) y tras ellos un bit de parada (Stop) que señala la terminación de la transferencia, tal como se refleja en la Figura 4. 10

18 Figura 3 Formato de comunicación asincrónica Típicamente, los ingenieros utilizan transmisión serial para transmitir datos ASCII. Completan la comunicación utilizando tres líneas de transmisión (referencia, transmisión, y recepción). Figura 4. Transmisión típica entre un DTE y un DCE. Ejemplo donde se muestran las líneas de transmisión y referencia. Debido a que la transmisión serial es asíncrona, el puerto puede transmitir datos en una línea mientras recibe datos en otra. Otras líneas están disponibles para el intercambio de pulsos de sincronización pero no son requeridas. Las características seriales importantes son: tasa de baudios, bits de datos, bits de parada, y paridad. Para que dos puertos se comuniquen, estos parámetros deben igualarse: La tasa de baudios es una unidad de medición para comunicación que indica el número de bits transferidos por segundo. Por ejemplo, 300 baudios son 300 bits por segundo. Cuando los ingenieros se refieren a un ciclo de reloj, se refieren a la tasa en baudios, así que si el protocolo indica una razón en baudios de 4800, el reloj está ejecutándose a 4800 Hz. Esto quiere decir que el puerto serial está muestreando la línea de datos a

19 Hz. Las tasas de baudios para líneas telefónicas son 14400, 28800, y Tasas de baudios mayores a estas son posibles, pero reducen la distancia disponible para la separación de dispositivos. Utilizan estas tasas de baudios para comunicación donde los dispositivos están localizados entre sí, como sucede típicamente con los dispositivos GPIB. Las siglas GPIB corresponden a General Purpose Interface Bus, fue creado en 1965 por la compañía Hewlett-Packard, que lo denominó originalmente HP-IB, y se popularizó con rapidez, debido a sus altas tasas de transferencia de datos (8 MegaByte/s). Para evitar la dispersión de características, los principales fabricantes acordaron la estandarización del GPIB en 1975 (IEEE 488.1), centrándose en las características eléctricas y mecánicas del bus. Una segunda estandarización (IEEE de 1987) delimitó de forma más concreta la programación del GPIB, definiendo comandos de aparatos, formato de mensajes y estado de los instrumentos. La información circula por el bus en forma de mensajes, que solo pueden ser de dos tipos: de interfaz (comandos), para la gestión del bus: inicialización y direccionamiento de los aparatos. de datos, dirigidos a un dispositivo específico, como por ejemplo que haga una medida, que cambie su configuración, etc. Características principales del bus GPIB: bus de transmisión: 8 bits en paralelo. tasa de transferencia: de 1 a 8Mbyte/seg. numero máximo de instrumentos conectados: 15 y dos tercios deben estar encendidos. longitud máxima de cableado: 20 m Hay varios tipos de conectores y cables GPIB-USB, como el que se muestra en la figura: 12

20 Figura 5. Conector GPIB USB Los Bits de datos son mediciones de los bits de datos actuales en una transmisión. Cuando una computadora envía un paquete de información, la cantidad de datos actuales puede ser que no complete 8 bits. Los valores estándar para los paquetes de datos son de 5, 7, y 8 bits. El marco que usted elija dependerá de la información que está transfiriendo. Por ejemplo, el ASCII estándar tiene valores de 0 a 127 (7 bits). El ASCII extendido utiliza de 0 a 255 (8 bits). Si los datos que usted está transfiriendo se encuentran en texto simple (ASCII estándar), enviar 7 bits de datos por paquete, es suficiente para la comunicación. Un paquete se refiere a la transferencia de un sólo byte, incluyendo los bits de inicio/paro, bits de datos, y paridad. Debido a que el número de bits actuales depende del protocolo seleccionado, puede utilizar el término paquete para cubrir todas las instancias. Los bits de parada son utilizados para señalar el término de comunicaciones en un paquete sencillo. Los valores típicos son 1, 1.5 y 2 bits. Debido a que los datos se encuentran sincronizados a través de las líneas y cada dispositivo tiene su propio reloj, es posible que los dos dispositivos pierdan sincronización. Por lo tanto, los bits de parada no solamente indican el final de una transmisión, también le da un margen de error a las velocidades de reloj de la computadora. A medida que se utilizan más bits de parada, mayor oportunidad para sincronizar los diferentes relojes, pero en contraparte se tendrá más lenta la razón de transferencia de datos. 13

21 La paridad es una forma de revisión de error simple utilizada en la comunicación serial. Existen cuatro tipos de paridad pares, impares, marcados y espaciados. También puede utilizar los que excluyen de paridad. Para paridad impar y par, el puerto serial fija el bit de paridad (el último bit después de los bits de datos) a un valor que asegura que la transmisión tenga un número par o impar de bits lógicos. Por ejemplo, si el dato es 011, para paridad par, el bit de paridad es 0 para mantener un número par de bits lógicos en alto. Si la paridad es impar, el bit de paridad es 1, resultando con 3 bits lógicos en alto. La paridad marcada y espaciada no revisa específicamente los bits de datos, simplemente fija la paridad de los bits como alta para la paridad marcada o baja para la paridad espaciada. Esto permite que el dispositivo receptor conozca el estado de un bit para así determinar si el ruido esta corrompiendo los datos o si los relojes del dispositivo de transmisión y recepción se encuentran fuera de sincronización. Protocolo RS-232 La protocolo o interfase serial RS-232 (Estándar ANSI/EIA-232), es un estándar mundial que rige los parámetros de uno de los modos de comunicación serial; además de ser, el conector serial que se encuentra en las PC compatibles con IBM. Los ingenieros lo utilizan con diversos propósitos, como el conectar periféricos, impresoras, o módems, así como para instrumentación industrial. Debido a la línea del driver y mejoras en el cableado, las aplicaciones comúnmente incrementan el desempeño del RS- 232 más allá de la distancia y velocidad listadas en el estándar. El RS-232 está limitado a conexiones punto a punto entre puertos seriales y dispositivos PC. Se puede utilizar el hardware RS-232 para comunicaciones seriales en distancias de hasta 15 mts, y para una velocidades de comunicación bajas, de no más de 20 Kb. A pesar de ello, muchas veces se utiliza a mayores velocidades con un resultado aceptable. La interfaz puede trabajar en comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canal simplex, duplex o full 14

22 duplex. En un canal simplex los datos siempre viajarán en una dirección. En un canal duplex, los datos pueden viajar en una u otra dirección, pero sólo durante un determinado periodo de tiempo; luego la línea debe ser conmutada antes que los datos puedan viajar en la otra dirección. En un canal full duplex, los datos pueden viajar en ambos sentidos simultáneamente. Por medio de este protocolo se estandarizan las velocidades de transferencia de datos, la forma de control que utiliza dicha transferencia, los niveles de voltajes utilizados, el tipo de cable permitido, las distancias entre equipos, los conectores, etc. Además de las líneas de transmisión (Tx) y recepción (Rx), las comunicaciones seriales poseen otras líneas de control de flujo (Handshake), donde su uso es opcional dependiendo del dispositivo a conectar. El puerto serie RS-232C, presente en todos los ordenadores actuales, es la forma mas comúnmente usada para realizar transmisiones de datos entre ordenadores. Cada pin puede ser de entrada o de salida, teniendo una función específica cada uno de ellos. Las más importantes son: Cuadro 1 Protocolo RS232 Pin TXD RXD DTR DSR RTS CTS DCD Función (Transmitir Datos) (Recibir Datos) (Terminal de Datos Listo) (Equipo de Datos Listo) (Solicitud de Envío) (Libre para Envío) (Detección de Portadora) Donde las señales TXD, DTR y RTS son de salida, mientras que RXD, DSR, CTS y DCD son de entrada. La masa de referencia para todas las señales es SG (Tierra de Señal). 15

23 Figura 6. Conector DB 25 y Conector DB 9 Finalmente, dependiendo del tipo de conector mostrado en la figura anterior, estas señales se encuentran dispuestas en cada pin, como se muestra en la siguiente: Cuadro 2 Protocolo DB25 y DB9 Numero de Pin En DB-25 En DB-9 Señal Descripción E/S Masa chasis Transmit Data Receive Data Request To Send Clear To Send Data Set Ready Signal Ground (Data) Carrier Detect Transmit Clock Receive Clock Data Terminal Ready Ring Indicator Transmit/Receive Clock S E S E E E S E S E TxD RxD RTS CTS DSR SG CD/DCD TxC(*) RxC(*) DTR RI 24 - RTxC(*) S (*) = Normalmente no conectados en el DB-25 El RS-232C es un estándar que constituye la tercera revisión de la antigua norma RS-232, propuesta por la EIA (Asociación de Industrias Electrónicas), realizándose posteriormente un versión internacional por el CCITT, conocida como V.24. Las difere ncias entre ambas son mínimas, por lo que a veces se habla indistintamente de V.24 y de RS-232C (incluso sin el 16

24 sufijo "C"), refiriéndose siempre al mismo estándar. Las especificaciones eléctricas del puerto serial están contenidas en la EIA RS232C Standard (Electronics Industry Association). Y dichas especificaciones son las siguientes: Un espacio (cero lógico) se encuentra entre +5 y +15V en el transmisor y +3 y +25V en el receptor. Una marca (uno lógico) se encuentra comprendido entre -5 y -15V en el transmisor y -3 y -25V en el receptor. La región entre -3 y +3 V esta indefinida Un voltaje a circuito abierto nunca puede exceder 25 voltios con referencia a tierra. Una corriente de corto circuito no puede exceder 500ma. Figura 7. Diagrama de las especificaciones del estándar RS-232C. Aplicaciones de los microcontroladores Estos suelen emplearse el desarrollo de sistemas industriales por ejemplo en robótica, autómatas programables, tarjetas de control industrial, y en aplicaciones de consumo como lavadoras, hornos microondas, telecomunicaciones, inyección electrónica, la sustitución de la lógica convencional por los microcontroladores permite reducir el tamaño de los diseños, disminuir el tiempo de desarrollo y también el costo final del 17

25 producto. La consecuencia es que estos microcontroladores se aplican a ámbitos considerados no rentables hasta hace poco tiempo, por ejemplo, en un automóvil moderno pueden encontrarse por el orden de quince microcontroladores realizando distintas tareas, en resumen el ciudadano promedio puede emplear, sin el mismo saberlo, por el orden de una docena de microcontroladores al día, lo que suele llamarse computación oculta. Ventajas del uso de los microcontroladores Según Martín del Brío (1999), Las ventajas del uso de de los microcontroladores en el diseño de sistemas digitales, sustituyendo lógica convencional, son las siguientes: Reducción del número de componentes, lo que conlleva ala miniaturización del sistema, reducción del consumo y aumentos de la fiabilidad. Programabilidad, que permite la simplificación del diseño y reducción en el tiempo de desarrollo. Disminución de costos, causados por los aspectos descritos en los puntos anteriores, y por la fabricación en series de muchas unidades de un mismo microcontrolador, pues podrá aplicarse a muchos diferentes problemas sin más que reprogramarlo. Programación de los microcontroladores. Para Angulo Uzcátegui y otros (2000), La utilización de los lenguajes más cercanos a la máquina (de bajo nivel), representan un considerable ahorro de código en la confección de los programas, lo que es muy importante dada la estricta limitación de la capacidad de la memoria de instrucciones. Los programas bien realizados en lenguaje Ensamblador optimizan el tamaño de la memoria que ocupan y su ejecución es muy rápida. Los lenguajes de alto nivel más empleados con microcontroladores 18

26 son el C y el BASIC de los que existen varias empresas que comercializan versiones de compiladores e intérpretes para diversas familias de microcontroladores. Hay versiones de intérpretes de BASIC que permiten la ejecución del programa línea a línea, y en ocasiones, residen en la memoria del propio microcontrolador. Con ellos se puede escribir una parte del código, ejecutarlo y comprobar el resultado antes de proseguir. Lenguajes de programación. Un lenguaje de programación es un lenguaje que puede ser utilizado para controlar el comportamiento de una máquina, particularmente una computadora. Consiste en un conjunto de símbolos y reglas sintácticas y semánticas que definen su estructura y el significado de sus elementos y expresiones. Algunos lenguajes de programación Lenguaje ensamblador. El lenguaje Asembler es un tipo de lenguaje de bajo nivel utilizado para escribir programas informáticos, y constituye la representación más directa del código máquina específico para cada arquitectura de computadoras legible por un programador. Fue usado ampliamente en el pasado para el desarrollo de software, pero actualmente sólo se utiliza en contadas ocasiones, especialmente cuando se requiere la manipulación directa del hardware o se pretenden rendimientos inusuales de los equipos. Lenguaje C. Es un lenguaje de programación relativamente minimalista. Uno de los objetivos de diseño de este lenguaje fue que sólo fueran necesarias unas pocas instrucciones en lenguaje máquina para traducir cada elemento del lenguaje, sin que hiciera falta un soporte intenso en tiempo de ejecución. Es muy posible escribir C a bajo nivel de abstracción; de hecho, C se usó como intermediario entre diferentes 19

27 lenguajes. En parte a causa de ser de relativamente bajo nivel y de tener un modesto conjunto de características, se pueden desarrollar compiladores de C fácilmente. En consecuencia, el lenguaje C está disponible en un amplio abanico de plataformas (seguramente más que cualquier otro lenguaje). Además, a pesar de su naturaleza de bajo nivel, el lenguaje se desarrolló para incentivar la programación independiente de la máquina. Un programa escrito cumpliendo los estándares e intentando que sea portable puede compilarse en muchos computadores. Lenguaje C se desarrolló originalmente (conjuntamente con el sistema operativo Unix, con el que ha estado asociado mucho tiempo) por programadores para programadores. Sin embargo, ha alcanzado una popularidad enorme, y se ha usado en contextos muy alejados de la programación de sistemas, para la que se diseñó originalmente. El Lenguaje C para Microcontroladores AVR. Normalmente los microcontroladores se programan en lenguaje ensamblador porque suelen ser programas cortos. Es necesario además conocer con un alto grado de detalle lo que ocupa el programa y la velocidad a la que se va a ejecutar. Al emplear un lenguaje de alto nivel ganamos en comodidad, abstracción, portabilidad y legibilidad. Se necesita menor tiempo de codificación, pero se pierde un poco la noción de qué es lo que esta pasando dentro del microcontrolador. Además, el volumen de código generado es mucho mayor que el que se hubiese obtenido programando el mismo programa directamente en ensamblador. Para obtener el mejor rendimiento de los programas, lo ideal es utilizar cada lenguaje para un propósito diferente. (El sitio Web de la escuela de ingeniería eléctrica y computación de Purdue University presenta toda la información necesaria para la programación en C para microcontroladores). El Lenguaje C para los microcontroladores tiene varias características únicas, no puestas en práctica por los estándares de C. La diferencia 20

28 principal entre un programa escrito para una PC y un programa escrito para un microcontrolador, es que el programa de la PC terminará probablemente en un cierto punto y devolverá el control a un sistema operativo subyacente. Los sistemas empotrados no tienen un sistema operativo y por lo tanto, los usos empotrados nunca terminan. Visual Basic. Es un lenguaje de fácil aprendizaje pensado tanto para programadores principiantes como expertos, guiado por eventos, y centrado en un motor de formularios que facilita el rápido desarrollo de aplicaciones gráficas. Su sintaxis, derivada del antiguo Basic, ha sido ampliada con el tiempo al agregarse las características típicas de los lenguajes estructurados modernos. Se ha agregado una implementación limitada de la programación orientada a objetos (los propios formularios y controles son objetos), aunque sí admite el polimorfismo mediante el uso de los Interfaces, no admite la herencia. No requiere de manejo de punteros y posee un manejo muy sencillo de cadenas de caracteres. Posee varias bibliotecas para manejo de bases de datos, pudiendo conectar con cualquier base de datos a través de ODBC (Informix, DBase, Access, MySQL, SQL Server, PostgreSQL,etc) a través de ADO. Es utilizado principalmente para aplicaciones de gestión de empresas, debido a la rapidez con la que puede hacerse un programa que utilice una base de datos sencilla, además de la abundancia de programadores en este lenguaje. Automatización Industrial Es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o procesos industriales substituyendo a operadores humanos. El alcance va más allá que la simple mecanización de los procesos ya que ésta provee a operadores humanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo, la automatización reduce ampliamente la 21

29 necesidad sensorial y mental del humano. La automatización como una disciplina de la ingeniería es más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los Sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales. Para mediados del siglo 20, la automatización había existido por muchos años en una escala pequeña, utilizando mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de manufactura. Sin embargo el concepto solamente llego a ser realmente práctico con la adición (y evolución) de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea. Las computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad, poder de cómputo, precio y tamaño empezaron a aparecer en la década de Antes de ese tiempo, las computadoras industriales eran exclusivamente computadoras analógicas y computadoras híbridas. Desde entonces las computadoras digitales tomaron el control de la mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semiespecializadas y especializadas, con algunas excepciones notables en la producción e inspección de alimentos. Las computadoras especializadas, referidas como Controlador lógico programable (PLC), son utilizadas frecuentemente para sincronizar el flujo de entradas de Sensores y eventos con el flujo de salidas a los actuadotes y eventos. Esto conduce para controlar acciones precisas que permitan un control estrecho de cualquier proceso industrial. Se temía que estos dispositivos fueran vulnerables al error del año 2000, con consecuencias catastróficas, ya que son tan comunes dentro del mundo de la industria. Las interfaces Hombre-Máquina (HMI) o interfaces Hombre- Computadora (CHI), formalmente conocidas como interfaces Hombre- Máquina, son comúnmente empleadas para comunicarse con los PLC y otras computadoras, para labores tales como introducir y monitorear temperaturas 22

30 o presiones para controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma. El personal de servicio que monitorea y controla estas interfaces es conocido como ingenieros de estación. Sistemas electrónicos industriales Introducida la figura del microprocesador, centraremos a continuación las principales ideas que guiarán el presente texto. Observemos la figura 4, Según del Brío (1999) en ella se muestra el esquema genérico de un sistema electrónico industrial, cuyo objetivo es la monitorización y control por procedimientos electrónicos de un determinado sistema exterior, como pueda ser una máquina, proceso o incluso toda una planta industrial. Procesamiento Digital (Up,Uc,Dsp) (Computador) Figura 8. Sistema electrónico industrial genérico, Según Martín del Brío (1999). Este esquema puede ser aplicado a numerosas situaciones diferentes, como un pequeño termostato electrónico, un sistema de frenado ABS, una máquina expendedora de refrescos, lavadora, el automatismo de control de una granja o incluso el control de toda planta industrial. En estos casos, el control digital se realiza con microprocesador, aunque, en ocasiones, éste 23

31 puede estar incluido dentro de un autómata programable (PLC) o de un ordenador. Por ejemplo, en el caso de la planta industrial, una serie de autómatas programables (PLC) recogen señales y controlan maquinaria, siendo todos ellos monitorizados por un Computador Personal (PC) a través de líneas de transmisión de datos en serie. Supongamos a modo de ejemplo que se trata de supervisar y controlar una máquina industrial. El sistema electrónico que se requiere puede ser dividido en módulos. El primero es el subsistema de adquisición de datos, esencialmente tipo analógico, compuesto por: un conjunto de Sensores, que detectan el estado máquina; circuitería de acondicionamiento de señal, que amplifica y adapta la señal para su posterior tratamiento; por último, etapa de conversión AD, encargada de transformar las señales analógicas en valores digitales. El segundo módulo es el sistema digital de procesamiento, que se ocupa de tomar los valores digitalizados de las señales (así como las señales puramente digitales que pueden existir), procesarlas, presentarlas al exterior o registrarlas y, posteriormente, enviar órdenes de las acciones a realizar sobre la máquina controlada. Finalmente, el tercero bloque es el subsistema de actuación, encargado de convertir las señales digitales de control en valores analógicos y actuar sobre la máquina. En este esquema pueden contemplarse distintas disciplinas electrónicas del campo de la electrónica industrial: electrónica analógica e instrumentación electrónica, especialmente en las etapas más directamente conectadas con el exterior; electrónica de potencia, esencialmente en la etapa de actuación sobre el exterior, y en las fuentes de alimentación; electrónica digital, especialmente en el sistema microprocesador. Además, también pueden considerarse las siguientes disciplinas relacionadas con la electrónica industrial: regulación de máquinas eléctricas, regulación automática (control), informática y computadores. 24

32 CAPÍTULO II ANTECEDENTES DEL PROBLEMA Antecedentes El control industrial ha evolucionado históricamente hacia la consecución de un grado de automatización lo más elevado posible, siendo implementado en cada época de acuerdo a las tecnologías existentes. A continuación se hará un repaso a esta evolución histórica. Control Manual. Al principio, los procesos industriales fueron controlados manualmente por un operador. El operador observaba lo que sucedía (una bajada de temperatura, por ejemplo) y hacía ajustes (manipular una válvula) basados en las instrucciones de operación y en el propio conocimiento que el operador tenía del proceso. Con el control manual, por tanto, sólo la adecuada reacción de un operador experimentado mediaba entre una evolución normal del proceso y otra errática. Además, un operador sólo podrá observar y ajustar unas pocas variables del proceso, limitando la complejidad de las estrategias de control que puedan ser usadas bajo control manual. A todo lo anterior, habría que añadir el hecho de que la recolección de datos para un proceso controlado manualmente puede requerir una ardua labor, ya que el operador está, normalmente, demasiado ocupado para escribir tiras de números. Por todo ello, los datos recogidos manualmente pueden ser inexactos, incompletos y difíciles de usar. Controladores Locales. Un controlador local permite a un operador llevar el control de varias etapas de un proceso. Como un regulador de la presión del gas doméstico, un controlador local usa la energía del proceso o el aire comprimido de la planta para ajustar la posición de una válvula de control o cualquier otro elemento final de control. Los controladores locales 25

33 eran muy utilizados como dispositivos de control robustos, aunque simples. Con los controladores locales haciendo el control rutinario, un solo operador puede manejar, como se dijo antes, varias etapas (lazos) de control puesto que su función sería más supervisora, ya que siempre tendrá una visión más amplia y menos exclusiva que el control manual. Por otro lado, como los controladores locales atacaban directamente al proceso, debían estar repartidos a través de la planta. Esta distribución de los controladores ocasionaba pérdidas de tiempo en ajustes, que se hacían de forma aleatoria y con más frecuencia de la deseada. Además, los controladores locales no hacían nada para eliminar la necesidad de la captación de datos manualmente y las limitaciones que esto suponía. Por todo lo anterior, podemos concluir diciendo que los controladores locales permitían el control de un mayor número de variables del proceso, pero no solucionaban los problemas que planteaba el hecho de la presencia física del operario en los lugares y momentos necesarios para hacer muchas de las operaciones. Control Neumático Centralizado. El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente, permitieron un notable avance en el control de procesos. Con ésta tecnología, las variables del proceso podían ser convertidas a señales neumáticas y transmitidas hacia controladores remotos. Se entraba en la confección de los denominados circuitos neumáticos. La interfase operador-proceso mejora en el control neumático respecto del método de controladores locales. Así, se introducen pantallas que ofrecen información relevante sobre el proceso. Al tener que observar el operador varias pantallas, el número y complejidad de lazos de control que uno solo puede controlar queda limitado. Además, éste modelo de control ofrece demasiadas dificultades para permitir una respuesta rápida ante un desajuste del proceso o para llevar a cabo frecuentes cambios en la estrategia operativa. Cambios en el control o en el proceso, reajuste manual de los controladores y actualización de los 26

34 conocimientos del operador. Los errores de juicio y la mala interpretación de las instrucciones son frecuentes. Con variables de proceso convertidas a señales neumáticas, se pueden usar bandas perforadas para automatizar la recolección de datos. Sin embargo, la recolección de datos en grandes sistemas que proporcionaban información sobre muchas variables se ha de seguir haciendo manualmente. Controladores Electrónicos de Lazo Simple. En los años 60, los dispositivos electrónicos ya estaban capacitados para ir reemplazando a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos analógicos de lazo simple eran precisos, rápidos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos. De este modo, la interfase para su manejo y control ofrece mejoras respecto de los controles neumáticos, además de permitir la captación electrónica de datos y un procesado de éstos con un índice de errores considerablemente mejorado respecto de aquellos. Poco después de la introducción de los sistemas de control electrónicos analógicos y como consecuencia de la gran expansión que la electrónica estaba teniendo, fueron apareciendo ordenadores digitales capaces de llevar a cabo el control de procesos, añadiendo a éstos toda la flexibilidad que da una máquina programable. Así, nació el llamado Control Digital Directo o DDC. El ordenador puede controlar un elevado número de lazos y variables temporales, además de ejecutar estrategias de control. Un teclado y un monitor acoplados directamente al ordenador proporcionan una interfase del usuario (Operador) con el proceso. Control Digital Directo, (DDC). Un sistema basado en este modo de control, esta estructurado en torno a un ordenador central que recibe todas las entradas del proceso (variables), ejecuta los cálculos apropiados y produce salidas que se dirigen hacia los dispositivos finales de control. Una acción inteligente y necesaria por parte de los científicos e ingenieros, Precisa Calderón (1998), fue utilizar la computadora para realizar estudios orientados al ámbito industrial de la automatización, de esta manera 27