Comunicaciones industriales y en Tiempo Real

PAC- Performance-centered Adaptive Curriculum for Employment Needs
Programa ERASMUS: Acción Multilateral - 517742-LLP-1-2011-1-BG-ERASMUS-ECUE
MASTER DEGREE:
Industrial Systems Engineering
ASIGNATURA ISE4:
Comunicaciones industriales y en Tiempo Real
MÓDULO 4:
Seguridad y calidad de los ICN. Aplicaciones
TAREA 4-2:
ÁREAS DE APLICACIÓN DE LOS ICN.
Comunicaciones industriales y en Tiempo Real
Contenido
TAREA 4-2: ÁREAS DE APLICACIÓN DE LOS ICN. .................................................... 3
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ................................................................................. 3
2. CONTENIDO..................................................................................................................... 3
2.1 APARTADO 1: ¿Cuáles son las ventajas de los sistemas de control
distribuido en comparación con centralizado? .................................................... 3
2.2 APARTADO 2: ¿Qué significa "sensores inteligentes" y qué ventajas
proporcionan estos tipos de sensores? .................................................................. 7
2.3 APARTADO 3: Breve descripción de la automatización interna y
automatización de edificios. ..................................................................................... 15
3. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 21
4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ....................................................................... 23
5. ENLACES DE INTERÉS ............................................................................................... 23
Índice de figuras
Figura 1: Sistema de control centralizado ..................................................................................... 4
Figura 2: Diagrama de bloque general del sensor inteligente .................................................... 10
Figura 3: Estructura hardware básica de un sensor inalámbrico inteligente.............................. 11
Figura 4: El primer sensor inteligente. ........................................................................................ 12
Figura 5: Evolución de los sensores inteligentes......................................................................... 12
Índice de tablas
ÁREAS DE APLICACIÓN DE LOS ICN.
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Comunicaciones industriales y en Tiempo Real
TAREA 4-2: ÁREAS DE APLICACIÓN DE LOS ICN.
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
Se realizará una breve introducción a la tarea a realizar en la que se
describa la tarea y el objetivo perseguido. Se pide que el alumno investigue
sobre las siguientes cuestiones planteadas:
1. ¿Cuáles son las ventajas de los sistemas de control distribuido en
comparación con centralizado?
2. ¿Qué significa "sensor inteligente" y qué ventajas proporcionan estos
tipos de sensores?
3. Mediante el uso de otras fuentes describe brevemente una de las
siguientes aplicaciones industriales de los sistemas (de su elección):
a. Automatización interna de Edificios
b. Automoción
c. Sistema SCADA
d. Navegación Marítima
e. Aviación y el Espacio
f. Sistemas para las personas con discapacidad
2. CONTENIDO
2.1 APARTADO 1: ¿Cuáles son las ventajas de los sistemas de
control distribuido en comparación con centralizado?
La principal aplicación de las redes industriales se centra en el control
industrial. Hay dos conceptos diferentes para la industria de sistemas de
control: centralizado y distribuido. En un sistema de control centralizado sólo
hay un controlador, en donde todas las señales de entrada fluyen, a
continuación, se procesan dándose cuenta y generando todos los algoritmos
de control de todas las señales de salidas necesarias. El sistema de control
centralizado sincroniza los tres objetivos mencionados a través del reloj de
sistema local, tal y como se muestra en la siguiente figura:
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Figura 1: Sistema de control centralizado
El control automático de procesos industriales es hoy en día una actividad
multidisciplinar, en la que hay que tener en cuenta aspectos técnicos
(electrónica, informática de sistemas, etc.), científicos (investigación de nuevos
criterios y materiales, etc.) y económicos (mejora de los márgenes comerciales
sin perder calidad y competitividad).
Los sistemas de control sofisticados del tipo de los instalados mediante
complejos elementos de instrumentación, son el resultado de más de cien
años de trabajo de fabricantes y usuarios, quienes no han de dejado de
buscar las mejores soluciones al control industrial automatizado.
Cualquier solución a un problema de automatización correrá a cargo de la
informática industrial y que el microprocesador, en cualquiera de sus formas o
versiones, irá copando posiciones relevantes hasta estar presente en todos los
niveles que constituyen un control distribuido.
Independientemente del tipo de control utilizado, los objetivos del control de
procesos pueden resumirse en:
a) Se pretende operar el proceso en forma segura y estable.
b) Se quiere diseñar sistemas de control que el operador pueda vigilar,
comprender y, cuando sea necesario, manipular en forma selectiva.
c) Se trata de evitar desviaciones importantes respecto a las especificaciones
de productos durante las perturbaciones.
d) Permitir que el operador cambie un valor deseado o punto de consigna
(valor de referencia) sin perturbar indebidamente otras variables controladas.
e) Evitar cambios considerables y rápidos en variables manipuladas que
podrían incumplir restricciones de operación.
f) Operar el proceso en forma congruente con los objetivos de calidad de
cada producto.
g) Controlar las cualidades del producto en valores que maximicen su utilidad
cuando se consideren índices y valores de productos y además, minimicen el
consumo de energía.
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Estos objetivos se han ido incorporando al control de procesos
paulatinamente, conforme la técnica y el conocimiento lo han ido permitiendo.
Los sistemas de control distribuido típico (DCS) son la estructura que más
futuro ofrecen si los comparamos con el sistema de control centralizado.
Un Sistema de Control Distribuido es la conexión de diferentes nodos físicos
distribuidos que están equipados con sensores de potencia de procesamiento
y/o mecanismos, conectados a través de una red de comunicación.
Estos sistemas se caracterizan por el hecho de que el proceso controlado se
lleva a cabo en estos nodos de una manera coordinada.
Ambos sistemas tienen sensores y actuadores. Los sensores son dispositivos
capaces de convertir el valor de una magnitud física en una señal eléctrica,
que con razón determinada, se convierte en señales de entrada de la muestra.
El actuador convierte la señal de salida eléctrica de una acción de un sistema
de control, como la apertura de una válvula de cierre de un contactor.
Los sistemas centralizados conducen cables costosos y pesados de posición
en posición (no debe haber cables dobles trenzados de cada sensor o
mecanismo para el sistema central) y también conduce a la utilización de
redes similares para la conexión del sensor y para mecanismos de activación
e indicadores. En estos sistemas, la exactitud de cualquier sensor sin
precauciones especiales está limitada por el nivel del ruido existente en los
entornos industriales y es difícil de superar una precisión de 0,1%.
Los nodos del sistema de intercambio de información del sistema de control
distribuido entre sí a través de mensajes que circulan en la red de
comunicación. Los datos enviados desde cada nodo están disponibles para
cualquier nodo que sea miembro de la red. Los nodos con sensores que
producen mensajes que contienen los valores de las variables medidas. Los
nodos con mecanismos toman el valor atribuible al objeto controlado a partir
de los mensajes en la red, tales como el grado de apertura de una válvula.
En
estos
sistemas distribuidos de un nodo es un procesador autónomo con su propio
hardware:
procesador
(CPU),
memoria,
oscilador
de
reloj,
interfaz de comunicaciones y de entrada / interfaz para el subsistema físico
que controla la salida.
Una unidad de interfaz de comunicación (CIU) consta de un controlador de
comunicación que gestiona la comunicación parcial o completa y un receptor
que se adapta señales de niveles TTL requeridos por los medios físicos de
transmisión.
Si el nodo no tiene sensores de la interfaz de entrada / salida incluye un
amplificador y filtro de la señal original generada por el sensor y un
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convertidor analógico / digital (ADC) para convertir la señal analógica a un
formato digital.
El resultado del valor numérico posteriormente se puede procesar digitalmente.
En cuanto a la resolución del ADC (el número de bits en la palabra de salida)
que se utiliza en aplicaciones industriales por lo general es 10 bit (1024
pasos). A mayor resolución requiere de un ambiente con reducción de ruido
que no existe en un entorno industrial. Por lo tanto, 16 bits de longitud de
una palabra es más que suficiente para codificar el valor medido. Muy a
menudo, la CPU del nodo tiene un ancho de 16 bits de la palabra, así como
el ancho de palabra común es 8 bits.
El software del nodo incluye: un programa de aplicación, procesamiento digital
de señales, comunicaciones (si no están plenamente controlados por el
controlador de comunicación) y, posiblemente, un sistema operativo. Dentro del
sistema de distribución, un nodo realiza una serie de funciones específicas.
Actualmente, los sistemas de control más utilizados son distribuidos.
Inicialmente, la razón principal para pasar de un sistema centralizado a un
sistema distribuido es la necesidad de simplificación y normalización de
cableado basado en la filosofía de sustitución de cobre (cableado costoso
desde el punto para ver) con el silicio (nodos inteligentes conectados por un
par de cables trenzados con una sección transversal pequeña) y logrando así
la reducción de costes. Sin embargo, hay otras razones por las que en un
sistema de distribución se recomienda más de un sistema centralizado:
-
Mayor inmunidad al ruido: como en el caso de un sistema distribuido el
sensor y el nodo están muy cerca o en el mismo paquete (sensores
inteligentes) por lo tanto, ellos no son causa de distorsiones en el
sensor y en un sistema centralizado de la señal analógica recorre toda
la distancia desde el sensor hasta el sistema central con la
correspondiente pérdida de calidad.
-
Los nodos de un sistema distribuido pueden estar más separados el
uno del otro que los sensores y mecanismos de un sistema
centralizado, como las redes de comunicación digitales permiten
distancias máximas mayores que las redes analógicas de 4-20 mA.
-
Inteligencia distribuida: una parte de los algoritmos de control se
incluyen en los nodos inteligentes, lo que simplifica el sistema de
control en su conjunto.
-
Seguridad: un error de sistema centralizado en el ordenador central
puede suspender el trabajo de toda la instalación. En una
arquitectura distribuida que es posible establecer una "isla" de
automatizado que resuelve parte del proceso solamente. En caso de
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un error de esa "isla" no se puede molestar a los otros subsistemas.
Los Sistemas distribuidos también facilitan la creación de muchas
arquitecturas.
-
Flexibilidad: un sistema distribuido tiene el potencial de expandirse sin
conducir a la complicación de análisis funcional de la misma al
aumentar el número de nodos. En un sistema distribuido, que es fácil
de extraer toda la funcionalidad de la obra de cada parte, de manera
que el control del correcto funcionamiento de cada una de las partes
puede establecer el correcto funcionamiento de todo el sistema.
2.2 APARTADO 2: ¿Qué significa "sensores inteligentes" y qué
ventajas proporcionan estos tipos de sensores?
Existen varias definiciones de sensores inteligentes. De forma general se puede
decir que un sensor inteligente es un equipo en el cual uno o más elementos
sensores y algún acondicionamiento de señal son integrados en la misma
pastilla de silicio o forman un pequeño sistema miniaturizado. Cuando inclusive
se integra al microcontrolador se dicen “sensores inteligentes integrados”.
Otros autores son más exigentes e incluyen en la integración la conversión
A/D, estandarización de la salida, autocalibración, auto-test y autoidentificación. Pero en principio, si alguno de estos parámetros se encuentren
en un pequeño sistema miniaturizado podría considerarse suficiente para ser
denominado “sensor inteligente”.
Un sensor inteligente es aquel que combina la función de detección y alguna
de las funciones de procesamiento de la señal y comunicación. Dado que
estas funciones adicionales suelen realizarlas un microprocesador, cualquier
combinación de sensor y microprocesador se denomina sensor inteligente.
Aunque no tiene que ser un elemento monolítico, se sobreentiende que un
sensor inteligente está basado en elementos miniaturizados y con un
encapsulado común. Es inevitablemente más caro que un sensor convencional.
Pero si además del costo de la compra se consideran el mantenimiento,
fiabilidad, etc., el costo total de un sensor convencional puede ser mucho
mayor.
El nivel de complejidad puede ser muy variado. Además de la detección o
traducción puede incluir: acondicionamiento de señal, correcciones de cero,
ganancia y linealidad, compensación ambiental, escala de conversión de
unidades, comunicación digital, autodiagnóstico, decisión e incluso activación
sobre el sistema donde se conecta.
De esta forma, los sensores inteligentes incluyen, además del sensor primario,
algún algoritmo de control, memoria y capacidad de comunicación digital. La
repercusión inmediata de los sensores inteligentes en un sistema de medida y
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control es que reducen la carga sobre controladores lógicos programable
(PLC).
Una de las funciones que debe realizar la interfaz con un sensor es
compensar las interferencias y perturbaciones que afectan a su salida. Una
forma de hacerlo es mediante un microprocesador que almacene en memoria
el valor de una serie de parámetros de referencia que permitan corregir el
valor de salida del sensor. Si por ejemplo, se almacenan valores de salida
correspondientes a tres entradas determinadas, se pueden corregir los errores
de cero, ganancia y la no linealidad. En el caso de una relación lineal entre la
entrada X (magnitud a detectar) y la salida Y (tensión, corriente, frecuencia,
período),
Y=p*x+q
Si la sensibilidad p y la salida para X=0, q, varían por el efecto de factores
ajenos a X, se puede determinar midiendo la salida respectiva para dos
entradas conocidas,
Y1 = p*x1 + q
Y2 = p*x2 + q
Si se pretende adaptar este método a un sensor inteligente, es necesario
poder aplicar los valores conocidos x1 y x2 a la entrada, y esto no es posible
de forma general. No hay que olvidar que la calibración total no existe. Si los
parámetros del sensor se conocen, pero hay una interferencia o perturbación
que afecta su salida, con sensores convencionales, se puede emplear un
segundo sensor igual al de medida, y que sufra las mismas interferencias,
pero que no esté expuesto a la magnitud a medir. En el caso de una
interferencia perturbación que dé un error aditivo, se tendrá entonces,
Y1 = p*x1 + q+ y1
Y2 = q + y1
Dado que la sensibilidad es conocida, el valor de la magnitud medida se
puede determinar mediante:
X1 = (y1-y2)/p
Este método es el empleado para galgas extensométricas. Cuando
interferencia a compensar es la temperatura, se suele poner un sensor
temperatura y corregir el resultado en función de sus indicaciones. Pero si
posible, es preferible emplear el método de las entradas opuestas, a base
incorporar un sensor de temperatura cuyo cambio modifique directamente
respuesta del sistema, por ejemplo, una ganancia o sensibilidad.
la
de
es
de
la
Un sensor inteligente debe ser diseñado de tal manera que su aplicación no
resulte difícil. Debería tener una salida estándar, disminución de offset, deriva y
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alinealidades. Podrían autocalibrarse y autotestearse periódicamente. La salida
de estos sensores, no necesariamente es digital, sino que también puede ser
en señales analógicas normalizadas. Por este motivo se han incrementado los
estudios relacionados con la conversión a frecuencia o digital directa, ya que
se eliminan directamente los elementos intermedios entre el sensor y un
microprocesador.
Las ventajas de la conversión a digital son entre otras:
1) La salida digital no lleva dimensión
2) Su resistencia al ruido y las interferencias permite colocar los sensores
fácilmente interfasados con el PC.
La tendencia de los sistemas industriales actuales se está acercando a ser
más inteligente en el punto de medición y la sustitución de la transmisión de
señales analógicas con una transmisión a través de una red de datos
digitales. Un sensor puede ser considerado inteligente si además de un sensor
en el mismo circuito integrado hay uno incluido en otro esquema u otros
esquemas que implementan una de las siguientes funciones:
-Ajuste analógico: expansión y filtrado.
-Conversión de analógico a digital.
-Procesamiento primario de la información (linealización auto-calibración,
comprobación de los otros medibles.)
-Compensación por cambios en las condiciones del entorno.
-Conversión de unidades de medida.
-El autodiagnóstico.
-La salida de datos digitales en las unidades de medida.
-Comunicaciones con una red digital.
Además, cada vez es más común que un sensor y el microcontrolador
conectado se encuentren en el mismo paquete físico. El microcontrolador
proporciona las señales de control necesarias desde el sensor / actuador, y
realiza procesamientos digitales de la señal (por ejemplo, filtrado), la
depuración local y entrega del valor de las variables medidas en unidades de
ingeniería, por una notificación enviada en la red industrial. En general, un
sensor inteligente se caracteriza por su potencia de cálculo y procesamiento
descentralizado que permite el procesamiento de información digital y la
comunicación con la red de información (fig. 2).
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Figura 2: Diagrama de bloque general del sensor inteligente
Las funciones características más comunes que hacen que las herramientas de
medición de los sensores inteligentes de nueva generación son:
- El cálculo directo del valor de medición recibido ajustado por los factores de
confusión, sin tener que recurrir a la calibración de la computadora central.
- Las señales suministradas son digitales en vez de analógicos.
- Capacidad para identificar el sensor.
- La comunicación con el ordenador central de la red en lugar de sólo el
envío.
- Incluir las mejoras adicionales en el transmisor, liberando a la computadora
central de las tareas secundarias.
- Capacidad para realizar el autodiagnóstico y la elaboración de directrices
para el desarrollo futuro.
- Capacidad para compensar en sistemas de tiempo real para la medición y la
recepción de datos y los sistemas de control en un ciclo cerrado.
- Posibilidad de multi-sensores.
Por otra parte, según el IEEE 1451.2 un transductor inteligente es aquel que
proporciona más funciones de las necesarias para generar una correcta
representación de la variable monitorizada, dichas funcionalidades típicamente
están orientadas a facilitar la integración del transductor con las aplicaciones
del entorno de red. La definición que se aporta para el término Sensor
Inteligente es: “La versión en sensor de un transductor inteligente”. Se
desprende pues que un sensor inteligente añade valor a los datos para dar
soporte a la toma de decisiones y al procesamiento distribuido. Los ambientes
inteligentes representan el nuevo paso en la evolución en la automatización de
los sistemas industriales, domésticos, de transporte y de la construcción.
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Al igual que un organismo sensitivo, un entorno inteligente confía en los datos
sensoriales obtenidos del mundo real. Los datos sensoriales provienen de
múltiples sensores, de múltiples propósitos distribuidos por múltiples
localizaciones. Los ambientes inteligentes necesitan tanto la información del
entorno que les rodea como la información de su propio funcionamiento. A
continuación se observa en la siguiente figura, la estructura básica de un
sensor inalámbrico inteligente:
Figura 3: Estructura hardware básica de un sensor inalámbrico inteligente
Las claves de dicha estructura son la capacidad de realizar procesamientos
gracias al microprocesador, la capacidad de almacenar información en la
memoria incorporada y la incorporación de un módulo de transmisión
inalámbrica de los datos que permite captar la energía de la señal recibida
para alimentar al sensor.
En la actualidad existen multitud de redes de sensores inteligentes cuyos
datos pueden ser consultados a través de Internet, pero el problema radica en
que cada red utiliza sus propios estándares, protocolos y formatos de
representación de datos. Entre los objetivos de las redes de sensores
inteligentes se encuentra acercar el conocimiento al punto de medida, hacer
viable en términos de coste la integración y mantenimiento de los sistemas
distribuidos de sensores, crear un punto de encuentro entre los transductores,
la monitorización, la computación y la comunicación con el fin de alcanzar un
objetivo común, e interconectar numerosos sensores de diferente naturaleza.
Por tanto, las redes inalámbricas de sensores son la clave para que los
ambientes inteligentes obtengan la información necesaria.
Entre las características deseables de los sensores de la red, podemos
enumerar las siguientes: fácil instalación, auto-identificación, auto-diagnóstico,
confiabilidad, coordinación con otros nodos y funciones software y de
tratamiento digital de la señal. En definitiva, el sensor inteligente es un
dispositivo capaz de: proporcionar una señal digital, comunicar a través de un
bus digital bidireccional, así como ejecutar funciones y órdenes lógicas. Tal y
como se comentó anteriormente, es deseable también que el sensor inteligente
realice tanto estas funciones como la compensación de parámetros
secundarios, la prevención y detección de fallos, auto-test y autocalibración.
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El desarrollo de estos sensores permitirá incrementar las capacidades de
diversos sistemas de control y de instrumentalización.
A continuación realizaremos un análisis de la evolución de los sistemas
inteligentes:
Figura 4: El primer sensor inteligente.
Figura 5: Evolución de los sensores inteligentes.
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En la figura 4, el primer sensor inteligente utilizaba sensores piezorresistivos y
capacitivos integrados, conectados a un inversor para crear una salida en
frecuencia proporcional a la presión.
En la figura 5 se hace referencia a la evolución de los sensores inteligentes:
Los dispositivos de primera generación no poseen electrónica asociada, los de
segunda generación contribuyen a sistemas analógicos con un control remoto
del sensor. Los sensores de tercera generación, son la base de muchos
sistemas actuales, la primera etapa de amplificación se realiza en el módulo
del sensor. Por tanto, la señal que aportan es una señal analógica de alto
nivel, codificada, por último, esta señal se convierte a digital y posteriormente
se procesa mediante un microprocesador. En los sensores de cuarta
generación, la electrónica analógica y digital, se encuentra en un chip,
permitiendo así el direccionamiento del sensor.
Finalmente, los sensores de quinta generación, la conversión de datos se
realiza en el módulo del sensor. Estos dispositivos se compensan digitalmente
empleando PROMs. Poseen varias ventajas como son las siguientes:
comunicación bidireccional de datos y órdenes, procesamiento digital total, así
como transmisión totalmente digital, testeo propio, algoritmos.
A continuación realizaremos un breve análisis de la arquitectura de un sensor
inteligente:
Posee tres partes principales: el procesamiento de la señal, el control y
manipulación de las señales digitales y la comunicación con el exterior
mediante un bus.
1) Procesamiento de la señal:
Una de las funciones más importantes del sensor es la amplificación de la
señal, ya que aumenta la relación señal/ruido y reduce el efecto del ruido
exterior, así como permitir aprovechar el máximo rango del convertidor
analógico-digital, antes de enviar la señal al exterior. Esta amplificación se
puede conseguir utilizando amplificadores MOS, aunque los amplificadores
CMOS son mejores para obtener alta ganancia e impedancia y son
compatibles con la electrónica digital presente en el chip del sensor
inteligente.
2) Control digital:
Los sensores inteligentes deben ser compatibles con sistemas digitales
basados en microprocesadores. La mayoría de sensores de alto rendimiento
deben proporcionar una señal digital para poder acceder a un bus digital.
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En el momento en el que los datos son digitalizados, se realizan una serie de
procesados de señal con el objetivo de corregir varios errores. Entre ellos se
puede incluir la corrección de la desviación, una auto-calibración, corrección
de linealidad. El principal circuito necesario para manipular la señal del sensor
es el convertidor analógico digital, aunque hay que tener en cuenta, que el
diseño del ADC, dependerá de los requisitos para las diferentes aplicaciones,
así como de la complejidad del proceso de fabricación.
En cuanto a la autocalibración, los sensores se deben ajustar tanto en la
ganancia como en la desviación, en fábrica y antes de embalar. El
funcionamiento del mismo dependerá de estos dos parámetros. La precisión
del sensor y su estabilidad se verán afectadas por la evolución de dichos
parámetros, ya que lo que interesa es que se pueda calibrar no solamente en
el momento de su fabricación, sino también durante su uso, es decir, una vez
que ha salido de la fábrica.
Una de las ventajas principales es la compensación de los datos del sensor,
ya que se puede emplear para corregir características como la sensibilidad, la
falta de linealidad, la variación de la señal con el tiempo y el ruido,
lográndose de esta forma sensores más precisos, que es de lo que se trata.
Las técnicas DSP, permiten una mejora en el funcionamiento del sensor, el
cual es capaz de realizar funciones lógicas y de informar al controlador en
caso de error. Tienen un poder computacional que se puede utilizar para
modificar automáticamente el rango de los amplificadores.
La capacidad de auto-test permite evaluar la funcionalidad del sensor sin
tener que cambiarlo de lugar, es decir, se puede realizar durante su propio
funcionamiento. Se suele comenzar bajo el control externo, asegurando su
buen funcionamiento, empleando los auto-tests con el objetivo de localizar
defectos, tenemos que tener en cuenta que éstos no se pueden emplear para
determinar la calibración con exactitud.
Otra característica ventajosa de los sensores inteligentes frente a los pasivos
es la fiabilidad, la cual se mejora agregando redundancia al sensor. Esto es
posible debido a su pequeño tamaño, por tanto, es posible implementar una
réplica del mismo sensor en el chip. La única limitación que podría tener es la
falta de espacio, sin embargo dicha redundancia no afecta al procesado de
señal.
3) Comunicación:
Parte del circuito asociado al sensor inteligente se dedica a la interfaz con el
bus para poder intercambiar información con el controlador, ya que debe ser
capaz de interactuar con un controlador que maneja el sistema general. Por
tanto, cada sensor debe comunicarse mediante varios buses y protocolos. La
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información intercambiada consistirá en: los datos de calibración, así como
compensación, direccionamiento, información propia del sensor, los datos
medidos y también la opción de programarlo.
En cuanto a los sensores comerciales que actualmente se distribuyen por
parte de varios fabricantes, podemos citar los siguientes:
-
Sensores de temperatura (mencionados anteriormente), pueden ser
analógicos, digitales, “analog plus” y los controladores del sistema,
estos últimos son los más complejos de los sistemas integrados, ya que
visualizan los valores de la tensión de alimentación, teniendo la
capacidad de producir una señal de alarma, en el caso de que la
tensión esté fuera del rango preestablecido.
-
Sensores de presión: basados en las piezorresistencias difundidas en el
silicio. La aplicación de una presión provoca la deformación de la
membrana y por tanto, la variación de la resistencia del elemento
sensor. Algunas de sus ventajas son las siguientes: alta sensibilidad,
buena linealidad, baja histéresis y reducido tiempo de respuesta.
-
Sensores de posición angular: basados en el efecto Hall,
magnetorresistencias o sensores inductivos. Este tipo de sensores
aportan una señal digital o cuasi-digital compatible con las tecnologías
actuales.
-
Sensores de desplazamiento: pueden ser sensores resistivos, inductivos
y capacitivos, ópticos y basados en el efecto Hall.
-
Sensores de velocidad, aceleración: basados en la teoría de
acelerómetros y sismómetros, acelerómetros inductivos y piezométricos.
2.3 APARTADO 3: Breve descripción de la automatización interna y
automatización de edificios.
Se trata de sistemas automatizados para edificios residenciales y no
residenciales. El objetivo es encontrar métodos simples para una interconexión
compatible con todas las tecnologías, fácil de configurar y administrar, lo que
permite una mayor calidad de empleo, el aumento de la riqueza, la comodidad
y la seguridad de los consumidores, mientras que el uso racional de energía.
Desde los años 80 hasta nuestros días sobre la base de las decisiones, estos
sistemas han pasado por distintas fases.
Al principio hubo una gran falta de conocimiento de automatización interna
como disciplina y sus aplicaciones. Había un pequeño número de empresas
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especializadas en este sector y por lo tanto su ofertas era limitada: sistemas
menos integrados difícil de instalar y demasiado caro. De hecho, disponible en
los sistemas de mercado se basan en los productos diseñados y fabricados
para
otros
mercados
con
otras
características
y
necesidades.
En los años 90 esta tendencia continuó en la misma forma por la aplicación
de las tecnologías utilizadas por otros sectores, con ligeros ajustes
que requieren un alto nivel de profesionalidad del instalador y el usuario.
Hoy es un nuevo impulso el que se le da a este sector debido a la subida de
conceptos como el ahorro energético, confort y seguridad. Hay nuevas
empresas en el sector y el mercado ha regulado de forma automática.
Las principales áreas de aplicación son los nuevos usos residenciales con
menos equipo, mejor utilización y un menor número de dificultades para el
sector de la construcción, con los sistemas de automatización, control y
regulación de las instalaciones.
Hay una distribución mejorada de estas tecnologías en los campos de un
determinado nivel (conferencias, seminarios, foros, concursos, prensa, etc.) el
prototipo de estos sistemas asociados con la ficción de épocas anteriores,
que fue minando su implementación.
Una clasificación muy característica de los sistemas de gestión técnica de
edificios (SGTE) se basa en que el dispositivo de envío (capa física) que se
utiliza entre los elementos que forman el sistema, independientemente de la
lengua o protocolo utilizado. La principal diferencia entre la domótica y la
automatización industrial es que este último es un punto de referencia en el
entorno de la industria, los productos son más estables, fiables y caros y que
es apoyado por las principales empresas del sector de la automatización y
control (Siemens, Honeywell, Jonhson Controls, Sauter, Trend, etc)
En una instalación de automatización industrial hay tres niveles distintos de
topología: el nivel de la zona, de la automatización y de la gestión de una
arquitectura distribuida. En este entorno, hay más oportunidades para las
redes de apertura, la tecnología y las normas.
Con los grandes avances de la tecnología digital actualmente es más fácil
poder transmitir datos, voz, video y audio en formato digital de un dispositivo
a otro interconectados en red. El medio de interconexión en la red puede ser
un cable o la radio frecuencia. Con los grandes avances de la tecnología se
puede fácilmente construir una red de área local en casa, donde los
dispositivos conectados a la red no sean solamente computadoras, sino que
también pueden ser dispositivos electrónicos tales como sistemas de vigilancia,
calefacción y aire acondicionado, etc. Existen diferentes sistemas de
comunicación utilizados para la automatización de casas y edificios. Dichos
sistemas de comunicación se encuentran en el nivel de automatización y en el
nivel físico, y son agrupados sobre la base del medio de interconexión que
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utilizan. Conocer las diferentes opciones que hay para configurar una red en
casa permite la oportunidad de elegir el sistema de comunicación más
adecuado para una aplicación de automatización en particular.
Una casa inteligente permite a sus habitantes tener el control y monitoreo de
la iluminación, sistemas de seguridad, sistemas de alarma de incendios,
sistemas de entretenimiento (TV, VCR, DVD, Audio, Etc.), riego de jardines y el
control de aparatos electrodomésticos, todo ello de una manera remota desde
cualquier ubicación del usuario dentro y fuera de la casa. El control de estos
dispositivos debe conseguirse en base a las instrucciones, necesidades y
preferencias de los habitantes de la casa.
Los beneficios de una casa inteligente pueden ser clasificados en 4 grupos:
seguridad, confort, ahorro de energía, y ahorro de tiempo. El ahorro de
energía es directo, ya que el sistema podrá encender y apagar las luces sólo
cuando se necesiten. La seguridad puede traducirse en una alarma que
marque al teléfono del usuario en caso de detectar la presencia de un intruso
en casa. El confort se logra ayudando a personas de edad avanzada o
personas con limitaciones físicas a realizar tareas tales como encender luces,
abrir o cerrar persianas y ventanas, o pedir ayuda en caso de emergencia.
Los sistemas de automatización para casas y edificios pueden ser divididos en
tres niveles: nivel de administrador, nivel de automatización y nivel físico. El
nivel de administrador es considerado el más alto en la jerarquía, la
integración en este nivel consiste en la comunicación entre aplicaciones
distribuidas. Muchas tecnologías han sido desarrolladas para lograr una
comunicación óptima entre aplicaciones, destacando: COM/DCOM, CORBA,
servicios WEB, que tienen una gran influencia en sistemas de automatización y
control de edificios en el nivel de administrador.
El nivel de automatización es el encargado de establecer la comunicación
entre el nivel administrador y el nivel físico, por lo tanto se considera nivel
medio de la jerarquía.
El nivel físico es el nivel más bajo de la jerarquía; en este nivel se encuentran
los dispositivos electrónicos que se desean automatizar (sistemas de
calefacción y aire acondicionado, puertas y persianas eléctricas, sistemas de
seguridad, etc.) que deben de contar con un sistema de comunicación
estándar para que puedan ser interconectados a una red.
Para la automatización de una casa, es necesario la integración de
tecnologías de red y estándares de comunicación desarrollados para el nivel
medio (nivel de automatización). Existen diferentes sistemas de comunicación
para configurar redes de sistemas electrónicos en una casa o edificio
pequeño. La diversidad de sistemas permite elegir el más adecuado para
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desarrollar una automatización confiable, robusta, económica y fácilmente
adaptable a las necesidades de una casa en particular.
Una red de casa generalmente se divide en tres tipos de red: la que
interconecta dispositivos de información (PCs, impresoras, etc.); la que
interconecta dispositivos de uso común en el hogar (electrodomésticos,
lámparas, etc.); por último, la que interconecta dispositivos de entretenimiento
(audio y video).
1. Sistemas de comunicación para configurar redes en casas y edificios.
La solución al problema de automatización de casas y edificios se basa en la
elección del sistema de comunicación más adecuado para una aplicación
particular. La elección del sistema debe ser hecha sobre la base del medio
físico de interconexión utilizado para la configuración de la red. En la
actualidad existen 3 tipos de medios de interconexión disponibles para la
automatización de casas, sin la necesidad de tener que hacer costosas
instalaciones de nuevo cable por toda la casa y que permiten automatizar
casas que inicialmente no fueron diseñadas para ello.
Hay un cuarto medio de interconexión que sí requiere de un cableado
especial. A continuación, se hace una breve descripción de cada uno de ellos,
resaltando los sistemas de comunicación para cada medio.
2. Configuración de red utilizando el cableado de la alimentación eléctrica.
Se puede configurar una red de dispositivos eléctricos utilizando el cableado
de alimentación eléctrica de baja tensión como medio de interconexión y los
contactos eléctricos como terminales de conexión. Utilizar las líneas de
alimentación eléctrica como infraestructura de red tiene ciertas ventajas. Ya
que no se necesita colocar un nuevo cableado por toda la casa, ya que los
dispositivos electrónicos se pueden comunicar con otros, utilizando el mismo
cable por el que les llega la alimentación eléctrica. Segundo, hay muchos
contactos a la línea de alimentación distribuidos por toda la casa (3 ó 4 por
habitación). En tercer lugar, actualmente existen varios sistemas de
comunicación para el control de dispositivos electrónicos que utilizan como
medio de interconexión la línea de alimentación eléctrica.
3. Configuración de red utilizando la línea telefónica.
Se puede utilizar el cableado de la línea telefónica que hay en el interior de
las casas como medio físico para configurar la red de dispositivos
electrónicos. Este sistema tiene la ventaja de que no se necesita instalar un
nuevo cableado para configurar la red; otra ventaja es que la mayoría de las
casas tienen el servicio de Internet utilizando la línea telefónica, con ello se
puede desarrollar el sistema de automatización para controlar y monitorear la
casa desde cualquier lugar fuera de ella vía Internet.
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Por ejemplo, desde una PC en el trabajo o desde una computadora de bolsillo
que tenga acceso a Internet, etc. Por otro lado, existe una desventaja: en
algunas casas no existe cableado de línea telefónica por toda la casa, así que
sólo se cuenta con 3 ó 4 conectores a la línea. Sin embargo, esta desventaja
puede ser superada si se combina con una red utilizando la línea de
alimentación eléctrica o utilizando una red inalámbrica.
El sistema de comunicación para poder configurar una red utilizando la línea
telefónica es el Home PNA 2.0, creado en 1998 por industrias de
semiconductores para promover y estandarizar tecnologías interconectadas por
medio de la línea telefónica. Este grupo de industrias desarrolló una primera
generación con velocidades de transmisión de 1 Mb/s, una segunda
generación con velocidad entre 10 Mb/s y 100 Mb/s.
Por medio de la línea telefónica y a esas velocidades se puede fácilmente
transferir datos, voz, y video dentro de la casa.
4. Configuración de red utilizando la tecnología inalámbrica.
En la actualidad existe un gran variedad de tecnologías de transmisión
inalámbrica, siendo la más popular, la tecnología basada en radio frecuencias,
ya que provee un enlace más práctico y flexible. El principal beneficio de
utilizar redes inalámbricas es la libertad de movimiento que se puede tener
dentro del área de cobertura de la red. Este tipo de red se puede construir
instalando múltiples puntos de acceso de interconexión inalámbrica (WAP), y
una estación base dentro del área que se desea cubrir.
Mediante Bluetooth (Red inalámbrica basada en proximidad): esta tecnología ha
tenido mucho auge en la industria. Un gran número de compañías como
Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba, Intel, Motorola, y Microsoft han desarrollado
productos basados en este sistema; la mayoría de ellos se ubican en el área
de entretenimiento en el hogar, telecomunicación móvil y manejo de
información personal. Este sistema tiene velocidades de comunicación de 721
Kb/s, una cobertura de 10 metros, trabaja en frecuencias aproximadamente de
2.45 GHz.
La tecnología inalámbrica que ha sido ampliamente aceptada es la de la
familia IEEE 802.11x.
5. Configuración de red utilizando cableado especial.
Si se quiere implementar una red basada en sistemas especiales, se debe
hacer una instalación de un cable especial por toda la casa.
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El sistema más popular de este grupo es el Ethernet, basado en el estándar
IEEE 802.3 y sus versiones subsecuentes. Con este sistema se puede tener
velocidades de 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1 Gb/s, y hasta 10 Gb/s. El sistema
Firewire (IEEE 1394) maneja velocidades de hasta 400 Mb/s y una distancia
máxima de 5 metros, y velocidades de hasta 3.2 Gb/s con la versión IEEE
1394b. El USB (Universal Serial Bus) maneja velocidades de 480 Mb/s, 1.5
Mb/s, 12 Mb/s a una distancia de 10 metros. Otro sistema es el RS-485, con
el cual se pueden manejar velocidades de transmisión de hasta 10 Mb/s a
una distancia de 1200 metros.
6.
Integración entre diferentes protocolos.
Actualmente existe la tendencia a integrar productos que son fabricados con
un determinado sistema con otros que se fabrican con un sistema distinto, ya
que existe una fuerte incompatibilidad entre esos productos, sobre todo si son
de distintos fabricantes. Esto se da principalmente en el área de
automatización y sistemas de control.
Una manera popular para integrar productos con diferentes sistemas es
emplear lo que se conoce como “Comunicación entre dos tipos de redes”
(Gateway), que tiene el objetivo de convertir un sistema en otro. Para utilizar
este sistema el desarrollador debe conocer ambos sistemas y entender muy
bien su funcionamiento, lo cual es una gran desventaja.
Un consorcio de más de 80 compañías manufactureras alrededor del mundo
están trabajando para crear una infraestructura de servicio sobre una amplia
gama de redes y dispositivos. Existe una iniciativa de este consorcio, que se
conoce como la iniciativa abierta para la comunicación entre dos tipos de
redes diferentes (OSGi). La primera especificación OSGi fue hecha en mayo del
2000, la liberación 2 fue hecha en marzo del 2001, la tercera en septiembre
del 2003.
Otro estándar dedicado a la integración de diferentes sistemas en
automatización de edificios y sistemas de control es el BACnet. Este sistema
define 5 tipos de red de área local que son: Ethernet, ARCnet, MS/TP (MasterSlave/Token-Passing), PTP (Point to Point), LonTalk. Entre esos sistemas el
MS/TP es el más utilizado para establecer la comunicación entre dispositivos.
7.
Sistemas aplicados a la automatización de casas y edificios.
En la implementación del hardware de un sistema de control para la
automatización de casas utilizando FPGA´s, el sistema es controlado a través
de Internet, la red de dispositivos electrónicos se configura utilizando el
sistema CAN (Controller Area Network). Este sistema es utilizado para
interconectar a cada dispositivo electrónico con el controlador maestro,
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conectado a un servidor (PC) vía RS-232. El sistema CAN utiliza un cableado
especial para configurar la red.
Se puede implementar un sistema de red basado en el Firewire IEEE1394 y
Ethernet. Además se utiliza una aplicación de la tecnología inalámbrica
Bluetooth y Ethernet para un sistema de automatización de casas, la red
contiene un controlador móvil y varios módulos cliente (dispositivos
electrónicos). Los módulos cliente se comunican con el controlador a través
de dispositivos Bluetooth y Ethernet.
Un nuevo sistema de red HNCP (Home Network Control Protocol) para
controlar y monitorear dispositivos electrónicos en casa, el sistema tiene como
medio de interconexión la línea de alimentación eléctrica. Otra implementación
de una red de dispositivos electrónicos de casa puede estar basada en el
sistema LnCP (Living Network Control Protocol). La red puede controlar
dispositivos electrónicos (aires acondicionados, lavadoras, microondas, etc.) por
medio de una interfase amigable vía internet.
También se puede desarrollar un administrador inteligente de energía para la
automatización de edificios (IEMN). La estructura de dicha red está basada en
el sistema BACnet para integrar al sistema a Intranet e Internet. El BACnet
conecta a los dispositivos del nivel físico con la unidad de control y con el
intranet. Este sistema IEMN ofrece las ventajas de ser un sistema inteligente de
monitoreo y control distribuido, y tiene la ventaja de analizar datos a través
de internet.
3. CONCLUSIONES
Los sensores inteligentes representan una nueva tecnología y un nuevo
concepto de plantear el acondicionamiento y adquisición de señales
analógicas. Estos elementos aventajan a los sensores tradicionales en que
integran, a parte del sensor, un acondicionamiento de la señal, que puede ser,
alguna red eléctrica de conversión de la señal analógica del sensor, en una
señal de tiempo, frecuencia o digital, algún elemento de procesamiento como
un contador o un microcontrolador.
De esta manera un sensor inteligente puede acoplarse a un bus digital o
cuasidigital, permitiendo una mejor y más rápida transferencia de información.
Igualmente permite acoplar en red varios sensores y destinar un elemento
central encargado de identificar el sensor respectivo.
Las características del sensor, así como la del bus administrador son
recogidas en la norma desarrollada por IEEE.
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En el segundo apartado se ha pretendido dar una visión de los sensores
inteligentes, indicando las partes de que constan, características que deben
tener dichas partes y sus funciones. Se han mencionado también los diferentes
tipos de sensores actualmente distribuidos.
En el tercer apartado de dicho trabajo, se ha hecho referencia a la
automatización interna de edificios, de la cual se puede concluir lo siguiente:
1. Existe una gran variedad de sistemas de comunicación para configurar
redes y automatizar casas, oficinas y edificios pequeños.
2. Se puede automatizar una casa sin la necesidad de tener que hacer
modificaciones a la construcción, o tener que hacer costosas instalaciones de
cableado nuevo.
3. La elección de un sistema depende del sistema a desarrollar y el lugar de
aplicación.
4. Para elegir un sistema se deben considerar características tales como:
costo/beneficio, confiabilidad, disponibilidad y estandarización , ancho de
banda de comunicación, soporte para aplicaciones en tiempo real, topología,
máxima longitud de la red, número de bytes en el marco de transmisión,
velocidad de comunicación, y dispositivos electrónicos que lo soporten.
5. Contar con una gran variedad de sistemas de comunicación puede ser una
desventaja en cuanto a estandarización, ya que no hay compatibilidad entre
un sistema y otro; para superar esa desventaja surgen las tendencias de
estandarización, OSGi y BACnet para poder comunicar redes de diferentes
sistemas.
6. Existe la necesidad de que fabricantes de productos electrónicos se pongan
de acuerdo e incorporen en sus productos un estándar de comunicación
internacional, ya que productos del mismo fabricante varían en sistemas.
7. Un trabajo futuro podría ser agrupar los sistemas sobre la base de un tipo
de red electrodoméstico específico (sistemas de entretenimiento, sistemas de
información o sistemas electrodomésticos), con el fin de hacer un análisis de
funcionalidad y determinar cuál es la mejor opción para poder desarrollar un
sistema de automatización de casa confiable, económico y lo más
estandarizado posible.
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4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS
En este apartado se hará referencia a toda la bibliografía utilizada.
[1] Mandado Pérez, E., Marcos Acevedo J., Fernández Silva C. Autómatas
programables y sistemas de automatización Ed. Marcombo
[2] Introducción a los sensores. CSIC. Ed. Artes Gráficas S.A.
5. ENLACES DE INTERÉS
Se detallarán los enlaces o links que puedan ser de interés en relación
con el tema de la tarea.
http://e-spacio.uned.es:8080/fedora/get/taee:congreso-2006-1139/SP102.pdf
http://upcommons.upc.edu/revistes/bitstream/2099/9553/1/Article003.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_sensores
http://es.wikipedia.org/wiki/Red_industrial
http://es.wikipedia.org/wiki/SCADA
http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S131648212005000400004&script=sci_arttext
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