BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

Transcripción

1 BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA INGENIERÍA EN MECATRÓNICA Fundamentos de Mecatrónica. Primavera 2007 Profesor: MC. Luis Eduardo Espinosa Maya

2 Programa Qué Es? Introducción a la Ingeniería Mecatrónica. Cuáles y para que? Clasificación de sistemas mecatrónicos Cómo son? Módulos básicos de los sistemas mecatrónicos. Con que? Teorías de sustento de la Mecatrónica.

3 Unidad III Módulos básicos de los Sistemas El sistema mecatrónico y módulos que lo conforman. Energía. Actuadores. Transductores. Transmisión del movimiento. Control. Comunicación Interna / Externa Presentación de datos. Ejemplos de sistemas mecatrónicos y sus módulos.

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5 Un sistema mecatrónico esta compuesto por estos módulos principales Ordenes comandos Interfaz: *Usuario *Externa Energía Sistema basado en procesador Control S.O. App. Interfaz DB IA Etapa de Potencia Instrumentación Elementos de maquinas Procesos Sensores Transductores

6 Ordenes / Comandos / Instrucciones La fuente puede ser un usuario u otro sistema. Son las funciones o programas que debe seguir el sistema, ejemplo: Inicio de ciclo Paro de emergencia Reinicio

7 Ordenes comandos Interfaz: *Usuario *Externa Energía Sistema basado en procesador Control S.O. App. Interfaz DB IA Etapa de Potencia Instrumentación Elementos de maquinas Procesos Sensores Transductores

8 Energía Elemento que se encarga de suministrar al sistema mecatrónica los medios para que este lleve a cabo su labor. Tipos principales de Energía Eléctrica Neumática Hidráulica Química.

9 Ejemplos de conversión de la energía en un sistema mecatrónico. Eléctrica en Movimiento Eléctrica en Calor Neumática en Movimiento

11 Interfaces Es el medio que dispone el sistema mecatrónico para recibir los comando u ordenes. La interfaz cumple tres funciones principales Recibir la información Traducir la información a un lenguaje entendible por el sistema Enviar la información al procesador

12 Cuando es un humano el que interactúa con la interfaz se denomina: Mando Ejemplos de mandos: Teclados Botones e interruptores Diales y presets Palancas y joysticks Micrófonos, huellas digitales y otros.

13 El sistema a su vez le representa información al usuario, esto se puede realizar por medio de: Indicadores de aguja y/o barra Displegadores numéricos Pantallas CRT y LCD Bocinas Luces de colores

14 Dinámica: Identifica los elementos que permiten la interacción del usuario con el sistema, para: Computadora personal. Automóvil. Torno.

15 También existe comunicación entre sistemas y/o equipos, cuando esta se da, estamos en presencia de una red. A una red la definen dos características principales Su topología. El protocolos de comunicación.

16 Topología es la forma en la que están distribuidos físicamente los elementos de la red. Punto a punto Central Estrella Central Sistema Sistema Bus

17 Protocolo es la forma en la que se arbitra el envió de la información, cumpliendo: Arbitraje Organización de los elementos. Integridad de la información El protocolo se apoya de estándares eléctricos para: Codificación de la información. Nivel eléctrico.

18 Algunos ejemplos de protocolos: Serial / SPI Paralelo I2C / SMBUS TCP/IP FTP En los estándares tenemos: RS232 RS485 ETHERNET

19 En el ámbito industrial existen tendencias de control, supervisión y administración que involucran un uso extensivo de redes. Manufactura Integrada por Computadora CIM. Interfaz Humano Maquina, HMI SCADA.

20 Dinámica: Investiga y compara el protocolo I2C y el USART Serial. De tu investigación construye un cable para comunicar dos PC por su puerto serial. Usa un programa como el Hyperterminal / Procomm para verificar la comunicación.

22 Sistema basado en Procesador La evolución de la Electrónica a creado procesadores mas poderosos, pequeños y económicos. En un sistema mecatrónico son una parte fundamental pues en estos recae todas las funciones. La versatilidad de un sistema mecatrónico depende en gran medida de las aplicaciones que ejecute el sistema basado en procesador.

23 Cont. Un procesador se puede concebir como una unidad multipropósito, capaz de ejecutar una gran variedad de operaciones. Basicamente un procesador esta constituido por: Unidad Lógica Aritmética ALU. Registros de variables Maquina de Control / Codificador de instrucciones. Buses / Pipelines

24 Existen variantes dentro de los sistemas basados en procesador como: up Microprocesadores uc Microcontroladores DSP Procesadores digitales de señales FPGA Arreglo de compuertas programables por campo* * En un FPGA se puede descargar un procesador o maquina diseñada a medida para la aplicación, sin embargo el FPGA por si solo no es un procesador.

25 Estos pueden usarse de diversas formas generando plataformas como: Computadoras Industriales PLC Sistemas mínimos Sistemas embebidos o empotrados PC

26 Un procesador se puede identificar por varias medidas (ranking). Capacidad matemática IPS: Operaciones de punto entero por segundo, como FLOPS: Operaciones de punto flotante por segundo, como 2.5 / 3.4 Entre mayor sean estos índices mayor cantidad de operaciones puede resolver el procesador, i.e. lo puede calificar para alguna aplicación demandante matemáticamente: Análisis de Fourier en tiempo real Reconocimiento de voz o de retina etc.

27 Cont. Arquitectura VON NEUMAN: Arquitectura base y tradicionalmente usada, esta arquitectura el bus de datos comunica la memoria RAM y ROM. HARDVARD: Arquitectura especial donde los buses que tienen acceso a las memorias RAM y ROM no se comunican y solo convergen en el ALU. PARALELA: súper conjunto de ALUs o procesadores que funcionan de forma simultanea, aquí el reto es el ordenamiento de las instrucciones.

28 Arquitecturas complejas. Existe en la actualidad un gran numero de arquitecturas complejas que se basan en múltiples procesadores o en procesadores altamente especializados. Investiga algunos ejemplos de estas arquitecturas: Estaciones de animación. Super computadoras. Procesadores escalares

29 Cont. Conjunto de instrucciones CISC: Computador con set complejo de instrucciones, integra una gran cantidad de instrucciones, esta riqueza le brinde flexibilidad, sin embargo, al ser tantos su ejecución suele ser compleja tardando en la mayoría de los casos más de un ciclo de reloj. RISC: Computador con set reducido de instrucciones, estos conjuntos son ejecutados rápidamente y por lo general son simples (fáciles de manejar), esto lo hace ideal para aplicaciones muy especificas.

30 Cont. Capacidades de memoria. RAM: es la cantidad de memoria volátil del sistema, esta memoria se borra cada vez que el sistema se apaga. ROM: es la cantidad de memoria fija del sistema, esta no se borra cuando el sistema se apaga, por esto se usa para almacenar los programas y datos especiales / esenciales del sistema.

31 Cont. Velocidades Velocidad interna: es la velocidad en la que el procesador ejecuta las instrucciones del programa. Velocidad externa: en el caso de los DSP por ejemplo, necesita de periféricos que se encuentran afuera del chip y que necesariamente no trabajan a la misma velocidad; el procesador debe ser capaz de generar otras velocidades en BUS para tener acceso a esos periféricos.

32 Dependiendo de la aplicación se debe seleccionar el sistema basado en procesador de acuerdo a las plataformas antes mencionadas. Estas plataformas integran otros elementos conocidos como periféricos, esto ayudan en: Conectividad Capacidad de almacenamiento Interfaces

33 Para cada una de las funciones se tienen dispositivos como: Puertos seriales estándar/spi/i2c etc. ADC, PWM, DAC Timers, DMA Memorias ROM externas paralelas y seriales.

34 Cómo seleccionar el sistema o plataforma? Los siguientes puntos darán una buena idea Conocer las necesidades de procesamiento matemática de la aplicación. Cantidad y tipo de sensores / transductores / drivers. Las interfaz de usuario y con otros dispositivos. Otras: Necesidad de almacenamiento de valores del proceso Capacidad de ejecución de funciones especiales Detección de errores Auto corrección.

35 Dinámica: Investigar al menos 3 ejemplos y compararlos de: DSP uc PLC De los ejemplos seleccionados, ubicar al menos 1 aplicación para cada uno.

37 La función fundamental del sistema basado en procesador el la ejecución del software de la aplicación. Existen plataformas que cuentan con sistemas operativos S.O., algunas de las funciones son: Interfaz entre la plataforma y software de usuario Organizar y priorizar las tareas (tiempo) Ejecutar las tareas Intercalar tareas (hilos) Llevar registro de las tareas

38 Un S.O. es básicamente un administrador y salvaguarda de los recursos del sistema. No todos los sistemas mecatrónicos requieren que sus sistemas tengan o se soporte con un S.O. Un sistema operativo consta de una parte fundamental la cual se conoce como Kernel o Núcleo. Adicionalmente al Kernel el S.O. cuenta con una librería de funciones que enriquecen y facilitan el uso de las prestaciones del sistema.

39 Adicionalmente al S.O. el sistema debe ejecutar aplicaciones: Control / Supervisión: La función principal del sistema basado en procesador es controlar o supervisar el comportamiento del sistema mecatrónico con el fin de que se ajuste a parámetros establecidos. Comunicación: La selección y procesamiento de la información que se va a desplegar o recibir del usuario o de la RED. También se maneja la comunicación con otros elementos internos del sistema que estén conectados a este por medio de un BUS o puerto.

40 Cont. Funciones de diagnostico: Capacidad añadida a los sistemas mecatrónicos que consiste en evaluar los errores detectados y en base a criterios preestablecidos categorizar lo e informar el mismo. Funciones de Recuperación: Capacidad añadida a los sistemas mecatrónicos, que una vez ocurrida y corregida una falla o error pueda continuar el trabajo en el último punto, garantizando su correcto funcionamiento siempre.

41 Cont. Detección y corrección de Errores: funciones de mayor jerarquía que las anteriores, la detección consisten en saber donde esta ocurriendo un error ya sea por medición o registro diversas partes del sistema; la corrección es una función compleja donde el sistema mecatrónico es capaz de auto repararse.

42 Jerarquías. Qué pasa si se quiere que todas la aplicaciones se corran al mismo tiempo? Cómo puedo garantizar que el sistema mecatrónico sea controlado? Las jerarquías son una técnica usada por los S.O. para ordenar la ejecución de sus aplicaciones. Ejemplo: 1) Detección de Error 2) Control / Supervisión 3) Función de Diagnostico 4) Comunicación Mayor jerarquía Menor jerarquía

43 Las diversas aplicaciones que se ejecutan se apoyan en información, la cual esta contenida u ofrecida en: Bases de datos. Sistemas expertos. Sistemas inteligentes.