SENSORES Y ACONDICIONADORES TEMA 16 (1) INTERFACES ENTRE SENSORES Y PROCESADORES DIGITALES CONCEPTOS GENERALES E INTERFACES LOCALES Profesores: Enrique Mandado Pérez Antonio Murillo Roldan Tema 16-1
CONCEPTOS GENERALES DEFINICIÓN DE INTERFAZ DE SENSORES Un interfaz es un conjunto de circuitos electrónicos que relacionan uno o más sensores con un procesador digital. Existen innumerables formas de implementar los interfaces en función de: El tipo de señal eléctrica generada por el sensor. La distancia entre el sensor y el procesador digital. Las características del sistema industrial que exigen a su vez características diferentes al procesador digital. SISTEMA INDUSTRIAL SENSOR INTERFAZ PROCESADOR DIGITAL Tema 16-2
CONCEPTOS GENERALES SISTEMAS INDUSTRIALES [MAND 09, capítulo 1, página 3] PRODUCTO INDUSTRIAL Sistema que realiza una función determinada, como por ejemplo una lavadora, un televisor, un taladro, etc. PROCESO INDUSTRIAL Conjunto de acciones realizadas por una o más máquinas adecuadamente coordinadas, que dan como resultado la fabricación de un producto. Son ejemplos de procesos industriales una cadena de montaje de automóviles o una fábrica de bebidas. Tema 16-3
CONCEPTOS GENERALES SISTEMAS INDUSTRIALES DIFERENCIAS ENTRE PRODUCTOS Y PROCESOS Cambios a lo largo de la vida útil Los procesos suelen cambiar a lo largo de la vida útil mientras que los productos no suelen hacerlo. Los que controlan productos no necesitan elevar el número de variables de E/S a lo largo de la vida útil. Por el contrario, los que controlan procesos deben ser capaces de hacerlo sin modificar el sistema físico (Hardware). A esta propiedad se le llama Modularidad. Tema 16-4
CONCEPTOS GENERALES SISTEMAS INDUSTRIALES DIFERENCIAS ENTRE PRODUCTOS Y PROCESOS Volumen de fabricación Los productos se suelen fabricar en una cierta cantidad, que depende del tipo de producto concreto. Los procesos industriales suelen ser ejemplares únicos que se caracterizan además por el elevado coste de las máquinas que forman parte de ellos. El coste del sistema físico (Hardware) tiene más influencia en los primeros que en los segundos. Distancia entre los sensores y el procesador En los productos las distancias entre los sensores y el procesador son en general reducidas. En los procesos por el contrario son elevadas. Tema 16-5
CONCEPTOS GENERALES CLASIFICACIÓN DE LOS INTERFACES ENTRE SENSORES Y UN PROCESADOR DIGITAL [MAND 09, capítulo 8, página 591] Interfaces entre sensores y un procesador digital Según la distancia entre el sensor y el procesador digital Según el tipo de señal eléctrica Interfaces locales (Según las características de la aplicación) Interfaces remotas Modulares No modulares Interfaces de variables digitales, todo-nada (On-Off) y temporales (Onda cuadrada) Interfaces de variables analógicas Tema 16-6
CONCEPTOS GENERALES INTERFACES ENTRE SENSORES Y UN PROCESADOR DIGITAL INTERFACES LOCALES Están situadas próximas a la unidad central (Embedded): Dentro del mismo circuito integrado. (Ejemplo: Microcontrolador con puertos de entrada/salida). En el mismo circuito impreso o en un circuito impreso próximo. (Ejemplo: Autómata programable compacto o semimodular). En un módulo situado al lado. (Ejemplo: Autómata programable modular). Tema 16-7
CONCEPTOS GENERALES INTERFACES ENTRE SENSORES Y UN PROCESADOR DIGITAL [MAND 09, capítulo 1, página 593] INTERFACES LOCALES Autómata programable con interfaz de entrada local empotrado Autómata programable con módulos de entrada/salida concentrada o local Tema 16-8
CONCEPTOS GENERALES INTERFACES ENTRE SENSORES Y UN PROCESADOR DIGITAL [MAND 09, capítulo 1, página 593] INTERFACES REMOTAS Adecuadas cuando los sensores están situados a una distancia elevada del procesador digital, porque se reduce el cableado y la influencia de las interferencias electromagnéticas. Ejemplo de procesador digital con entrada/salida remota Tema 16-9
CONCEPTOS GENERALES INTERFACES REMOTAS Los sensores se conectan igual que a los interfaces de entrada local. Incorporan un procesador de comunicaciones por cada sensor o conjunto de sensores y otro en el procesador digital. SISTEMA INDUSTRIAL SENSOR 1 SENSOR 2 INTERFAZ PROCESADOR DE COMUNICACIONES Canal de comunicaciones SENSOR N Tema 16-10
[MAND 09, capítulo 1, página 594] CONCEPTOS BÁSICOS TIPO DE CONEXIÓN Sin aislamiento galvánico Con aislamiento galvánico TIPO DE SALIDA DEL SENSOR Contacto libre de potencial Transistor NPN Transistor PNP TIPO DE ALIMENTACIÓN Alterna Contínua Tema 16-11
TIPO DE CONEXIÓN SISTEMA 1 SISTEMA 2 FUENTE DE ALIMENTACIÓN FUENTE DE ALIMENTACIÓN Conexión entre dos sistemas sin aislamiento galvánico SISTEMA 1 CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO SISTEMA 2 FUENTE DE ALIMENTACIÓN CIRCUITO DE ENTRADA CIRCUITO DE SALIDA FUENTE DE ALIMENTACIÓN Enlace magnético u óptico Masa 1 Masa 2 Conexión entre dos sistemas con aislamiento galvánico Tema 16-12
CASO PRÁCTICO CONEXIÓN SIN AISLAMIENTO GALVÁNICO Sensor del tipo contacto (Microrruptor o fin de carrera) y alimentación en continua. Tema 16-13
CASO PRÁCTICO CONEXIÓN CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Procesador Digital Sensor del tipo contacto (Microrruptor o fin de carrera) y alimentación en continua. Tema 16-14
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN CONTINUA CASO PRÁCTICO Procesador Digital Sensor pasivo todo-nada con salida del tipo relé Alimentación del interfaz con la fuente del procesador Tema 16-15
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN CONTINUA CASO PRÁCTICO Procesador Digital Sensor pasivo todo-nada con salida del tipo relé Alimentación del interfaz con la fuente auxiliar Tema 16-16
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN CONTINUA Procesador Digital Sensor pasivo todo-nada con salida del tipo contacto o relé Terminal común conectado al negativo de la fuente de alimentación auxiliar Tema 16-17
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN CONTINUA Procesador Digital Sensor pasivo todo-nada con salida del tipo contacto o relé Terminal común conectado al positivo de la fuente de alimentación auxiliar Tema 16-18
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN CONTINUA CONDICIONANTE La corriente de alimentación del sensor debe ser pequeña. Procesador Digital Sensor pasivo todo-nada con salida de dos hilos Tema 16-19
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN CONTINUA Procesador Digital Sensor pasivo todo-nada con salida de tres hilos del tipo PNP Tema 16-20
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN CONTINUA Procesador Digital Sensor pasivo todo-nada con salida de tres hilos del tipo NPN Tema 16-21
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN CONTINUA Procesador Digital Efecto de un cortocircuito entre la salida del sensor y el negativo de la fuente de alimentación en sensores pasivos todo-nada con salida de tres hilos del tipo NPN Resultado: Entrada fija a cero Tema 16-22
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN CONTINUA Procesador Digital Efecto de un cortocircuito entre la salida del sensor y el negativo de la fuente de alimentación en sensores pasivos todo-nada con salida de tres hilos del tipo PNP. Resultado: Cortocircuito Tema 16-23
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN ALTERNA CASO PRÁCTICO Procesador Digital Sensor del tipo contacto Tema 16-24
CON AISLAMIENTO GALVÁNICO Y ALIMENTACIÓN EN ALTERNA CASO PRÁCTICO Procesador Digital Módulo de sensores todo-nada del tipo contacto o relé Un terminal es común y el otro se conecta a una fase de la alimentación a través del sensor. Tema 16-25
INTERFAZ ENTRE UN SENSOR DE TIPO NPN Y UN MICROCONTROLADOR +V 1 SENSOR TODO-NADA DE TRES HILOS 3 CIRCUITO ELECTRÓNICO ASOCIADO T2 2 MICROCONTROLADOR Puerto de entrada/salida casi o semibidireccional Tema 16-26
INTERFAZ ENTRE UN SENSOR DE TIPO NPN Y UN MICROCONTROLADOR +V 1 SENSOR TODO-NADA DE TRES HILOS 3 CIRCUITO ELECTRÓNICO ASOCIADO T2 Bit de dato BIESTABLE DE DATO EN EN 2 Bit de sentido BIESTABLE DE SENTIDO MICROCONTROLADOR Puerto de entrada/salida bidireccional Tema 16-27
INTERFAZ LOCAL DE SENSORES DE SALIDA ANALÓGICA SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (DATA ACQUISITION SYSTEM) [MAND 09, capítulo 1, página 616] Sistema electrónico que convierte información representada mediante señales analógicas en información digital que puede ser procesada, almacenada y transmitida por un procesador digital. Módulo independiente (Control de procesos industriales) (Tarjeta de adquisición o módulo de entrada analógica). Empotrado en el sensor (Ejemplo: Microsensor). Empotrado en el procesador digital (Ejemplo: Microcontrolador). SISTEMA INDUSTRIAL ELEMENTO SENSOR CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS PROCESADOR DIGITAL Señal analógica Información digital Tema 16-28
INTERFAZ LOCAL DE SENSORES DE SALIDA ANALÓGICA INTERFAZ DE VARIABLES DE ENTRADA ANALÓGICAS Procesador Digital Módulo básico de adquisición de datos Tema 16-29
INTERFAZ LOCAL DE SENSORES DE SALIDA ANALÓGICA INTERFAZ DE VARIABLES DE ENTRADA ANALÓGICAS Procesador Digital Módulo de adquisición de datos con procesador digital incorporado y una memoria COLA (FIFO) Tema 16-30
INTERFAZ LOCAL ENTRE SENSORES DE SALIDA ANALÓGICA Y UN COMPUTADOR INDUSTRIAL UNIDAD DE MEMORIA INTERFAZ PERIFERICO 1 MICROPROCESADOR INTERFAZ PERIFERICO N TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS GENERADOR DE IMPULSOS SISTEMA DE ADQUISICIÓN Comunicación en paralelo INTERFAZ (PUERTO SERIE) Línea de Comunicaciones Comunicación en serie PERIFERICO U OTRO COMPUTADOR Tema 16-31
INTERFAZ LOCAL ENTRE SENSORES DE SALIDA ANALÓGICA Y UN MICROCONTROLADOR G UNIDAD CENTRAL DE PROCESO CONTROLADOR DE INTERRUPCIONES MEMORIA ACTIVA RAM DISPOSITIVOS ESPECIALES ENTRADA/SALIDA SERIE MEMORIA PASIVA [ROM, PROM, RPROM, EPROM, E 2 PROM, FLASH] ENTRADA/SALIDA PARALELO TEMPORIZADORES CONTADORES MÓDULO DE ADQUISICIÓN DE DATOS SISTEMA DE ADQUISICIÓN Tema 16-32