Curso práctico on-line de Arduino avanzado Implementaciones de lazos de control completos Introducción Hasta hace poco tiempo, el prototipado de sistemas hardware/software para implementación de lazos de control completos (señales procedentes de sensores, procesamiento de éstas, etapas de conversión A/D y D/A, implementación de leyes de control, señales hacia los actuadores, etc.), requería del uso de un PC, costosas tarjetas de entrada/salida o el uso de un autómata programable con igualmente costosos módulos de entrada/salida. Desde finales del siglo XX, en los centros universitarios y de investigación, se buscaron alternativas para abaratar y simplificar el coste económico y en horas del prototipado de sistemas hardware/software para implementar lazos de control. Así nacieron sistemas no estándares y creados ad-hoc para cada aplicación, los cuales estaban basados usualmente en microcontroladores, debido a su facilidad innata para el tratamiento de señales de entrada/salida. Aún así, el microcontrolador era caro, requería de elementos adicionales, caros también, para su programación, y sólo solucionaba una parte del problema, que era fundamentalmente la implementación del controlador, pero quedaban por resolver cuestiones referentes a adaptación de señales, facilidad de programación, memoria, estandarización, hacer el sistema abierto, costes y, sobre todo, de integración en lo referente a buses y comunicaciones alámbricas e inalámbricas. En 2005 nació Arduino como un proyecto para estudiantes en el Instituto IVREA, en Ivrea (Italia). Desde entonces numerosos investigadores y, sobre todo, empresas multinacionales de hardware y software se han sumado mediante colaboraciones al proyecto Arduino. Por poner sólo un ejemplo, Google colaboró en el desarrollo del Kit Android ADK (Accesory Development Kit), una placa Arduino capaz de comunicarse directamente con teléfonos móviles inteligentes bajo el sistema operativo Android para que el teléfono controle luces, motores y sensores conectados a Arduino. El concepto de sistema hardware/software abierto impregnó a Arduino desde su nacimiento, incorporando la facilidad Plug and Play y su capacidad de trabajo con todas las plataformas informáticas tales como MacOSX, Windows y GNU/Linux. Arduino es el elemento ideal para prototipar en el ámbito de la instrumentación y el control, ya que soluciona de manera sencilla todo el lazo de control, desde la adquisición de señales procedentes de los sensores de la planta hasta, incluido el controlador, las señales de control hacia los actuadores de la misma. Por ello, el curso que se oferta es ideal para llevar a la práctica a un coste muy bajo y con muy poco esfuerzo de programación, lazos de control completos.
Página 2 Curso práctico on-line de Arduino avanzado Desde 2005 la potencia y capacidades de Arduino no han dejado de crecer y todo a un precio asequible casi para cualquier usuario. Por 15 se puede comenzar a trabajar con la plataforma Arduino y por 40 con una que tiene un computador Linux incorporado con conectividad Wi-Fi. En medio se dispone de todo tipo de kits Plug and Play con la plataforma base e incluso completísimas plataformas robóticas con ruedas incorporadas por poco más de 100. Arduino está permitiendo sin duda que el coste y la complejidad electrónica/informática no sean las barreras para desarrollar proyectos de instrumentación, control, robótica, etc. Esto está permitiendo que los estudiantes puedan plantearse la realización de proyectos reales que hasta ahora eran impensables. El curso está organizado y supervisado por el Comité Español de Automática (CEA), representante español de la Federación Internacional de Control Automático (IFAC) y canalizador de las relaciones internacionales de los técnicos y científicos españoles con esta prestigiosa federación de sociedades de control automático. Si bien hay una gran oferta de cursos sobre Arduino en Internet, éste que oferta CEA es diferente porque: (1) Enseña a trabajar con las distintas plataformas de Arduino presentes en el mercado así como su programación. (2) Enseña los diferentes tipos de comunicaciones posibles con las plataformas Arduino: serie, inalámbrica y Ethernet. (3) Enseña el manejo de buses industriales con la plataforma Arduino: RS485, Modbus, CAN-BUS y los empleados en sensores inteligentes: I2C y SPI. (4) Enseña el uso de la plataforma Arduino con los sensores más usuales en el campo de la instrumentación y el control automático: modos de conexión, cómo adquirir señales, cómo acondicionarlas y cómo procesarlas. (5) Enseña el uso de la plataforma arduino para programar leyes de control. (6) Enseña el uso de la plataforma Arduino con los actuadores más usuales en el campo del control automático: cómo generar las señales de control y cómo acondicionarlas. (7) Enseña el uso de la plataforma Arduino para el diseño de sistemas SCADA. (8) Es modular acoplando los conocimientos a las necesidades del usuario. Y todo ello. (9) Realizando prácticas sobre plantas reales (no virtuales ni simuladas) de forma online a través de Internet, mediante el uso de laboratorios remotos e interfaces de usuario enriquecidas mediante realidad aumentada. (10) Con un equipo de profesores de gran experiencia docente e investigadora en el desarrollo de lazos de control con Arduino y en el campo de los laboratorios remotos en ingeniería.
Implementaciones de lazos de control completos Página 3 Objetivos Este curso pretende dar la formación necesaria para, además de conocer la extensa plataforma Arduino en profundidad, utilizarla junto a aplicaciones de libre distribución que sirven de soporte en el proceso de desarrollo de proyectos de ingeniería, con énfasis en la implementación de lazos de control. Esto permitirá al alumno implementar lazos de control de bajo coste y altas prestaciones, cubriendo los diferentes elementos involucrados en un lazo de control moderno. Además, se cubren aspectos avanzados que permiten abordar cualquier proyecto de diseño con éxito, al combinar herramientas software de programación y simulación con el conocimiento de un extenso conjunto de elementos hardware. El curso completo está estructurado en 3 módulos que se imparten de forma consecutiva, ya que los conocimientos se adquieren de forma gradual y secuencial. Así, en el primer módulo el curso cubre el estudio de la creciente familia de tarjetas de desarrollo de la plataforma Arduino, incluyendo sus módulos de ampliación, que permiten a Arduino conectarse con sensores y actuadores muy diversos. Su programación también está incluida en el desarrollo del módulo, avanzando progresivamente según las necesidades metodológicas del mismo. El alumno conocerá también las distintas herramientas de programación existentes para esta plataforma abierta de desarrollo. El uso de sensores y actuadores desde Arduino se trata en el segundo módulo, cubriéndose además el tratamiento y acondicionamiento de señales de entrada y salida. El tercer y último módulo del curso cubre las distintas posibilidades de comunicaciones con esta plataforma (serie, inalámbrica, Ethernet), así como los distintos buses empleados en la conexión con sensores inteligentes: I2C y SPI. El uso en Arduino del protocolo Modbus, ampliamente utilizado en entornos industriales, es tratado también en esta última parte del curso, así como el empleo de Arduino junto a sistemas SCA- DA. Metodología El curso se realiza on-line íntegramente. Todo la documentación estará disponible para el alumnado en un LMS (Learning Management System) específico para el curso. Esta documentación estará formada por una combinación de documentación en formato pdf y vídeos demostrativos. Asimismo, los alumnos podrán acceder al área de descarga que se habilitará en él, mediante acceso autentificado, para poder descargar todas las herramientas software necesarias para el correcto desarrollo del curso. Todos los accesos del alumnado se realizarán mediante autentificación personal a su área de trabajo. Un foro estará habilitado para la comunicación del profesorado con el alumnado, habilitándose también mecanismos de consulta personalizada con el profesorado.
Página 4 Curso práctico on-line de Arduino avanzado La resolución de dudas se realizará a través de la plataforma LMS del curso, y en aquellos temas que puedan tener mayor dificultad, se utilizará la plataforma colaborativa CoPlanta, que es un sistema de videoconferencia colaborativa con los alumnos, que sólo necesitan un navegador web para acceder. En un curso de estas características, el aspecto práctico de la enseñanza, apoyado en plataformas Arduino reales, es un aspecto vital. Debido a esto, el contenido del curso va soportado con prácticas reales (no virtuales) de laboratorio que afianzan los conocimientos teóricos, y permite al alumno el desarrollo completo de lazos reales de control de diversa índole. Este importante aspecto se cubre mediante el acceso a sistemas experimentales reales remotos. Todas las prácticas del curso se realizan mediante acceso on-line al Laboratorio de Experimentación Remota, situado en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Huelva y gestionado por el Grupo de Investigación "Control y Robótica" (TEP192). Los sistemas experimentales disponibles para el curso son de distinta naturaleza, de forma que cubren todos los contenidos de éste de forma práctica. Programación El curso se estructura en tres módulos impartidos de forma secuencial. Los módulos pueden ser realizados de forma independiente; no obstante, la realización de un módulo superior requerirá el haber superado los anteriores. La superación de cada módulo conlleva, respectivamente, el reconocimiento por parte de CEA de los diplomas acreditativos siguientes: Curso de especialización en Programación y Arquitectura de la Plataforma Arduino. Curso de especialización en gestión de sensores y actuadores con la plataforma Arduino. Curso de especialización en comunicaciones y control con la plataforma Arduino. Cada módulo se realiza en 6 semanas y contempla un trabajo del alumno de 42 horas. A continuación se detallan los contenidos de los módulos del curso, así como las fechas de impartición de los mismos.
Implementaciones de lazos de control completos Página 5 Módulo 1: Programación y arquitectura de la plataforma Arduino (2015: 13 abril- 22 mayo) 1. La familia Arduino. Tarjetas hardware de desarrollo y módulos de ampliación. 2. Programación en Arduino. Introducción. Tipos de datos, constantes y variables. Estructura de programación. Utilidades. Funciones del lenguaje. Uso de librerías. 3. Sistema de almacenamiento permanente de datos. EEPROM. Módulos SD Card. 4. Gestión de interrupciones. 5. Gestión de temporizadores. Módulo 2: Gestión sensores y actuadores con la plataforma Arduino (2015: 5 octubre- 13 noviembre) 6. Tratamiento de señales de entrada y salida de Arduino para el uso en aplicaciones de control. Optoaislamiento de entradas digitales. Optoaislamiento de entradas analógicas. Convertidores de nivel V/V. Convertidores V/I e I/V. Ajustes de los parámetros de conversión A/D. Ajustes de los parámetros de conversión PWM. 7. Interfaz serie de comunicación de Arduino. RS232 TTL. Bus I2C. Bus SPI. 8. Sensores de bajo coste para adquirir datos desde Arduino. Sensores del tipo magnitud a tensión. Sensores del tipo magnitud a tiempo. Sensor de distancia por ultrasonidos. Encoder. 9. Sensores con interfaz serie. Sensores con interfaz I2C. Sensores con interfaz SPI. Potenciómetros digitales. 10. Hardware de visualización. Visualizadores LCD en modo texto. Visualizadores LCD en modo gráfico. 11. Ejemplos de uso de actuadores con Arduino Servomotores. Motores de corriente continua. Motores paso a paso. Electroválvulas.
Curso práctico on-line de Arduino avanzado Módulo 3: Comunicaciones y control con la plataforma Arduino (2016: 1 de febrero 11 de marzo) 12. Comunicaciones serie inalámbricas. Infrarrojos. Bluetooth. XBee. 13. Software de libre distribución para monitorización serie desde un PC. Teraterm Realterm KST 14. Software de libre distribución para desarrollo de sistemas DAQ/DA en el control con Arduino. Easy Java Simulations (EJS) 15. Programación de algoritmos de control en Arduino. 16. Acceso a redes TCP/IP desde los interfaces Ethernet de Arduino. 17. Uso de buses industriales con Arduino. Protocolo Modbus serie. Protocolo Modbus sobre TCP/IP. Uso de programas SCADA con Arduino. Número mínimo/máximo de alumnos por módulo: 50/70 Precio módulos Módulo 1: 125 + IVA Módulo 2: 125 + IVA Módulo 3: 100 + IVA