Tema 4 Instrumentación basada en PC

Tema 4
Instrumentación basada en PC
4.1
Computadores personales en sistemas de adquisición de datos
La continua reducción de precios que han experimentado los computadores personales
ha permitido ampliar su dominio de aplicación considerablemente. Es posible, de este
modo, introducir el PC en tareas poco exigentes desde el punto de vista computacional en las que hasta hace poco su utilización no resultaba rentable. El campo de la
instrumentación es un ejemplo de esta evolución.
Las ventajas de la introducción de un computador en un sistema de adquisición
de datos son entre otras:
1. Disponibilidad de un amplio conjunto de herramientas software para el desarrollo
de aplicaciones.
2. Posibilidad de verificar las aplicaciones previamente a su instalación definitiva.
3. Facilidad para el diseño de tarjetas de interfaz sobre una conocida estructura
hardware.
4. Disponibilidad de numerosos fabricantes de hardware de adquisición que contribuyen a extender la oferta a unos precios razonables.
5. Acceso a paquetes de software ya desarrollados para adquisición de datos.
Un computador personal debe ser acondicionado para su utilización en un sistema de adquisición de datos, dando lugar a lo que suele denominarse PC industrial. En
la mayorı́a de las ocasiones, se precisa su instalación en armarios industriales, próximos
a zonas de producción, por lo que se hacen imprescindibles aspectos como los que se
enumeran a continuación:
1. Instalación en una carcasa metálica con protección frente a perturbaciones electromagnéticas procedentes del entorno.
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4.2. Configuraciones para sistemas de adquisición de datos
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2. Protección frente agentes ambientales como el polvo, la humedad o la temperatura
empleando filtros y sistemas de ventilación.
3. Posibilidad de reemplazar los diferentes elementos del computador con facilidad,
a fin de reducir al mı́nimo los tiempos improductivos de reparación o actualización. Esto implica un diseño modular basado en tarjetas que se insertan en un
conector pasivo fijado a la carcasa. Las tarjetas no se limitan los tı́picos elementos intercambiables de un PC clásico, sino que se extienden para incluir unidades
como la memoria, el procesador o los sistemas de almacenamiento masivo.
4.2
Configuraciones para sistemas de adquisición
de datos
Las aplicaciones de adquisición de datos pueden clasificarse en función de la distancia
entre la zona de muestreo y el PC. Ası́, podemos distinguir:
Configuración local La aplicación se encuentra en las inmediaciones del PC (menos
3 metros). Todo el hardware necesario para la adquisición se encuentra instalado
en el ordenador, y son posibles elevadas frecuencias de muestreo.
Configuración intermedia La aplicación se encuentra relativamente alejada del PC
(menos de 30 metros), aunque normalmente ubicados en el mismo recinto. La
mayor parte de los elementos de adquisición son externos al PC y se alcanzan
tasas de transferencia de datos altas, si bien no tanto como en el caso local.
Configuración remota La distancia entre el PC y la aplicación está por encima
del kilómetro. El hardware de adquisición es externo al PC y la velocidad de
transferencia que se consigue es reducida en comparación a los casos anteriores.
4.3
Adquisición de datos local
En la adquisición de datos local, como se ha comentado anteriormente, el PC y la
aplicación se encuentran muy próximos. El hardware de adquisición se encuentra bien
dentro del computador personal o en un rack externo conectado al PC.
Los componentes básicos que integran un sistema de adquisición de datos local
son los siguientes:
• Computador personal.
• Tarjetas de adquisición.
• Tarjetas accesorias: multiplexores, aisladores, etc.
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4. Instrumentación basada en PC
89
• Acondicionadores de señal.
• Cables de interconexión.
• Software de adquisición.
4.3.1
Selección del hardware de adquisición
A la hora de seleccionar los diferentes elementos que forman parte de un sistema de
adquisición de datos deben tenerse en cuenta diferentes aspectos.
• SEÑALES ANALÓGICAS
Acondicionamiento Debe estudiarse si las señales están o no debidamente
acondicionadas.
Número de canales Cuántas señales necesitamos muestrear en nuestra aplicación.
Frecuencia de muestreo Con qué velocidad deben realizarse lecturas de las
diferentes señales.
Aislamiento Si existen o no interferencias entre las distintas señales de entrada
al sistema.
Resolución Nivel de detalle con el que necesitamos representar la señal.
• SEÑALES DIGITALES
Entradas Debe determinarse, análogamente al caso analógico, la necesidad de
optoaislamiento, número de canales de entrada y frecuencia de muestreo.
Salidas Cuántos canales de salida se precisan, si éstos deben aislarse y cuál será
la frecuencia de conmutación en los comandos dirigidos al exterior.
4.3.2
Selección del periodo de muestreo
Una cuestión fundamental en el diseño de una aplicación de adquisición de datos es
una adecuada selección del periodo de muestreo que se va exigir al hardware. Debe
alcanzarse un correcto equilibrio entre los factores de coste y rendimiento.
Las aplicaciones pueden englobarse, atendiendo a la velocidad de muestreo requerida en tres categorı́as:
Aplicaciones lentas Precisan intervalos de muestreo comprendidos en el rango 1-10
Hz. Se asocian generalmente a variables de tipo ambiental (temperatura, humedad, etc) que no se ven sometidas a cambios repentinos. Permiten la utilización
de placas digitalizadoras de gama baja con elementos de filtrado incluidos.
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4.3. Adquisición de datos local
90
Aplicaciones rápidas Se mueven en el rango 1 Hz - 100 kHz. A este grupo pertenecen
al mayor parte de las aplicaciones.
Aplicaciones ultra-rápidas Estas aplicaciones requieren frecuencias de muestreo superiores a los 100 kHz. El acondicionado de señal adquiere más importancia y
aumentan las demandas de memoria y velocidad de procesamiento sobre el PC.
Una vez filtrada la señal, debe escogerse una frecuencia de muestreo adecuada.
Aplicando el teorema de Nyquist, es suficiente con muestrear al doble de la mayor
componente frecuencial que posea la señal. Sin embargo, desde el punto de vista
práctico se emplean frecuencias mayores, en torno a 10 veces la mencionada frecuencia.
La tarjeta de adquisición seleccionada para la aplicación deberá ser capaz de
garantizar la frecuencia de muestreo calculada para cada señal. Puesto que la tarjeta
normalmente multiplexa los diferentes canales a muestrear, esto significa que debe
tomarse como referencia la señal que precise la frecuencia más elevada.
La resolución de la tarjeta dependerá de la magnitud de las señales a digitalizar
y de su comparación con el ruido. El factor relación señal-ruido (4.1) se emplea para
analizar esta caracterı́stica.
SN R = 10 log
4.3.3
VS
VN
(4.1)
El ruido en la adquisición
La señal a digitalizar puede verse afectada por ruidos de diferente procedencia, como son perturbaciones internas, alteraciones debidas al desgaste de los componentes e
interferencias externas. Centrándonos en el tercer tipo de fuente de ruido, hay que considerar que las señales procedentes de nuestra aplicación se ven normalmente alteradas
por otras señales activas cercanas. De estas señales perturbadoras, las más frecuentes
son las que provienen de lı́neas de alimentación y motores eléctricos de elevado consumo. También podemos hablar de perturbaciones debidas a campos eléctricos (inducen
corrientes) y perturbaciones debidas a campos magnéticos (inducen voltajes).
Las medidas a tomar para reducir el efecto del ruido son primero de tipo preventivo, que tratan de crear un ambiente más protegido para los circuitos de nuestra
aplicación; y posteriormente en forma de tratamiento activo.
Dentro de la prevención tenemos barreras tipo apantallamiento (jaulas de Faraday) para la circuiterı́a de la aplicación, que aı́slan de campos eléctricos externos. Otra
lı́nea de actuación se sitúa en el cableado de las señales.
La recomendación general para el cableado de un sistema de adquisición es que
la longitud de los cables debe ser lo más corta posible. Esto obedece al hecho de que el
punto más vulnerable de las señales frente a las perturbaciones se localiza precisamente
en la transmisión desde la fuente de la señal al hardware de adquisición.
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4. Instrumentación basada en PC
91
Los tipos de cables que se emplean con más frecuencia en la transmisión de
pequeñas señales son:
Par trenzado De coste reducido ideal para transmitir pequeñas señales en modo diferencial. Si se buscan mayores prestaciones puede recurrirse al tipo apantallado.
Cable coaxial Ofrece una mayor inmunidad al ruido a expensas de un coste superior.
Cable simple Sólo es adecuado para la transmisión de señales de voltaje elevado.
Una vez transportada la señal al punto de adquisición, la única posibilidad de
eliminar el ruido es aplicar filtros. Para seleccionar el filtro adecuado para la señal a
muestrear es necesario analizarla mediante un osciloscopio o un analizador de espectro.
Si señal y ruido se ubican en bandas de frecuencia disjuntas podrá aislarse la señal
primaria para su correcta adquisición. Se emplean básicamente filtros analógicos, que
emplean condensadores y bobinas en el caso pasivo e incluyen amplificadores operacionales en el caso activo, y filtros digitales implementados por hardware o software.
4.4
Tarjetas de adquisición
Conversión A/D D/A.
Tipos de conversores.
Parámetros de las tarjetas.
Selección (software DAQ Designer).
La mayor parte de las tarjetas de adquisición disponibles en el mercado poseen
un rango de digitalización de -10 a +10 voltios, una resolución de 10 a 12 bits y 8
canales multiplexados. Es importante tomar estos valores como referencia, pues el
coste aumenta significativamente cuando se exigen mayores prestaciones.
4.5
Estudio de caso
Se plantea a continuación un ejemplo de una aplicación de adquisición de datos para
su estudio.
4.5.1
Descripción del problema
En una planta quı́mica se detectan, de forma esporádica, pérdidas repentinas en la
calidad del producto final que repercuten negativamente en el rendimiento del proceso.
Para tratar de averiguar la causa del fallo, deben monitorizarse de forma continua
numerosas variables y almacenarlas para su posterior estudio.
Instrumentación - ULPGC
4.5. Estudio de caso
4.5.2
92
Especificaciones
El sistema de adquisición de datos a utilizar debe cumplir con los siguientes requerimientos:
• Monitorización constante de unas 300 variables del proceso.
• Almacenamiento de las lecturas hasta 2 minutos antes de la detección del fallo y
hasta 1 minuto después.
• Evitar interferir con el computador encargado del control de la planta.
Descripción de las variables
Resolución Intervalo de muestreo
27 entradas analógicas
12 bits
0,001 seg.
7 entradas analógicas en corriente
12 bits
0,001 seg.
34 entradas analógicas
12 bits
0,1 seg.
39 entradas analógicas
12 bits
1 seg.
33 entradas analógicas
12 bits
5 seg.
32 entradas digitales
1 bit
0,001 seg.
3 entradas digitales
1 bit
0,05 seg.
48 entradas digitales
1 bit
0,1 seg.
6 entradas digitales
1 bit
1 seg.
Las entradas analógicas corresponden a señales de 1 a 5 voltios DC, mientras
que las entradas analógicas en corriente suponen señales de 4 a 20 mA. Todas estas
señales deben estar convenientemente aisladas.
4.5.3
Cálculo de requerimientos
Se requieren un total de 140 entradas analógicas y 99 entradas digitales. La velocidad
de muestreo que se precisa para las entradas analógicas puede obtenerse como
27 ∗ 1000 + 7 ∗ 1000 + 34 ∗ 10 + 39 ∗ 1 + 32 ∗ 0.2 = 34385 muestras/segundo
En general, suele sobredimensionarse de un 10 a un 30 por ciento como nivel de
garantı́a para abordar posibles ampliaciones o cambios de requerimientos en el futuro.
Ası́ pues, añadiendo 1/3 a la frecuencia de muestreo (que no es especialmente exigente)
resultan 45847 muestras por segundo.
Análogamente para las entradas digitales resultan
32 ∗ 1000 + 3 ∗ 20 + 48 ∗ 10 + 6 ∗ 1 = 32546 muestras/segundo
Como salvaguarda tomaremos 32546*(1+1/3)=43395 muestras por segundo.
4.5.4
Solución propuesta
Se decide seleccionar tarjetas independientes para la parte analógica y la parte digital,
dado que el número de señales a muestrear ası́ lo aconseja.
Instrumentación - ULPGC
4. Instrumentación basada en PC
93
Para las señales analógicas se elige:
• Tarjeta conversora A/D de 16 entradas.
– 70 KMuestras/segundo.
– 32 módulos multiplexores conectables en cascada de cuatro entradas cada
uno con aislamiento.
– Total: 128 entradas.
• Tarjeta conversora A/D de 16 entradas.
– 45 KMuestras/segundo.
– 1 conector con acondicionamiento de señal de 16 entradas.
∗ 1 conversor de intensidad a voltaje con aislamiento de 7 entradas.
∗ 1 adaptador de voltaje con aislamiento de 9 entradas.
– Total: 16 entradas.
De esta forma, se dispone de capacidad para muestrear 144 señales analógicas
por encima de la frecuencia exigida en las especificaciones.
Para las señales digitales se elige:
• Tarjeta digital de 96 entradas.
– 4 módulos de 24 entradas digitales aisladas.
– Total: 96 entradas.
• Tarjeta digital 8 entradas.
– 1 módulo de conexiones.
– Total: 8 entradas.
Ası́, tenemos capacidad para adquirir 104 señales digitales.
4.6
Adquisición local de datos usando GPIB
GPIB es uno de los sistemas más extendidos en la actualidad (estándar inteligente IEC),
constituye un estándar mundial desde 1975 en el control de instrumentos programables
de forma remota. GPIB constituye un bus de instrumentación cuyo objetivo es que
los instrumentos conectados al mismo sean capaces de transmitir información digital
hacia el controlador del sistema de forma autónoma. El principal campo de aplicación
del bus GPIB son los laboratorios de test de equipos electrónicos.
Instrumentación - ULPGC
4.6. Adquisición local de datos usando GPIB
4.6.1
94
Caracterı́sticas técnicas
Las principales caracterı́sticas de esta interfaz incluyen:
• 16 lı́neas de conexión que se estructuran de la siguiente forma:
– Ocho de transferencia bidireccional para datos y control.
– Tres para protocolo de comunicación ası́ncrono (Not ready for data, Not
data accepted y Data valid).
– Cinco para control de la actividad del bus (Attention, Interface clear, Remote enable, Service request y End o Identity).
• Longitud máxima 20 metros utilizando un cable de 2 metros para cada instrumento.
• Capacidad para conectar hasta 15 instrumentos.
• Velocidad máxima superior a 1 Mb por segundo.
4.6.2
Configuración
La comunicación se establece entre dispositivos que deben desempeñar al menos una
de las siguientes funciones: receptor, emisor o controlador.
El receptor (o listener) es un dispositivo capaz de recibir datos de otros dispositivos. Un ejemplo podrı́a ser una impresora. El emisor (o talker) es dispositivo
capaz de transmitir datos hacia otros dispositivos. Este serı́a el caso de un contador.
El controlador (o controller) es un dispositivo capaz de gestionar comunicaciones, es
decir, mensajes entre dispositivos sobre el bus enviando direcciones y comandos. El
papel de controlador suele ser desempeñado por un computador. En el mismo instante
pueden estar activos varios dispositivos receptores, pero sólo un emisor.
En función de la capacidad de configuración que ofrezcan, los dispositivos que
se pueden conectar pueden agruparse en las categorı́as de transferencia, controlables
(acceso a algunas funciones internas) y programables. Puede construirse ası́ un sistema
de medición automática con diferentes topologı́as.
Cada dispositivo debe poseer una dirección primaria identificadora dentro del
bus, la cual varı́a desde la dirección 1 a la 31. Esta dirección es programable en los
dispositivos GPIB mediante un conjunto de cinco conmutadores, estando reservada
la dirección 31 para colocar al dispositivo en estado off line. Opcionalmente puede
asignarse una dirección secundaria para acceder a ciertas funciones especı́ficas de cada
dispositivo.
Los tipos de mensaje que pueden circular por el bus son bien dependientes del
dispositivo o dependientes de la interfaz. En el primer caso se habla de datos, y puede
tratarse de instrucciones de programación, resultados de medida, etc. En el segundo
caso los mensajes se denominan también comandos, como por ejemplo inicialización,
direccionamiento, etc.
Instrumentación - ULPGC
4. Instrumentación basada en PC
4.6.3
95
Diseño del sistema
En el diseño de un sistema de instrumentación basado en el bus GPIB deben tenerse
en cuenta diversos factores como son:
• Formato de los datos a manipular.
• Número de canales y velocidad de adquisición de datos.
• Necesidad de procesamiento de la información.
• Reparto de las tareas de computación.
En la selección de los instrumentos hay que tener en cuenta el papel que van
a desempeñar evaluando factores como la programabilidad, velocidad de operación o
formato de los mensajes.
En el mercado se pueden encontrar interfaces GPIB hacia las siguientes plataformas:
• Ordenadores personales:
– PC/XT/AT: a través del bus ISA, bus EISA, bus PCI, bus PCMCIA, puerto
paralelo, puerto serie, red Ethernet, puerto SCSI.
– PS/2: bus Micro Channel.
– Macintosh: bus NuBus, bus PCMCIA, red Ethernet, puerto SCSI, puerto
serie.
• Estaciones de trabajo:
– HP9000-700: bus EISA,red Ethernet.
– Sun SPARCstation: bus SBus, puerto SCSI, red Ethernet.
– Silicon Graphics: puerto SCSI.
– IBM RS/6000: bus Micro Channel.
– DECstation 5000 y DEC Alpha: bus TURBOchannel, red Ethernet.
– DEC VAX y DEC MicroVAX: puerto SCSI.
• Mini y micro computadores:
– DEC: bus Q-BUS.
– Máquinas VME: bus VMEbus.
– NEC PC-9801: bus NEC9801.
– Máquinas STD.
– Máquinas MULTIBUS.
Instrumentación - ULPGC
4.7. Otros buses de instrumentación
96
Los dispositivos que se pueden conectar incluyen osciloscopios digitales, multı́metros (resistencia, fase, voltaje, potencia, etc), fuentes de alimentación, fuentes de señal (generadores de señales, sintetizadores, generadores de funciones, etc), analizadores
(analizadores lógicos, de espectro, de vı́deo, ect), contadores, registradores, scanners,
calibradores, controladores, etc.
Posteriores desarrollos han llevado a la modificación del estándar para facilitar el
diseño y la productividad de sistemas de test, dando lugar a la especificación IEEE488.2.
También se ha definido el entorno SCPI que facilita la tarea de la programación de los
diversos instrumentos con independencia del fabricante.
4.7
4.7.1
Otros buses de instrumentación
Bus VXI
El bus VXI constituye el estándar para la interconexión de instrumentos modulares en
forma de tarjeta y ha experimentado un enorme crecimiento en los últimos años.
VXI utiliza un chasis que permite conectar hasta 13 tarjetas con diferentes formatos, lo que proporciona una estructura robusta. Este bus está basado en el estándar
de instrumentación VME, por lo que también pueden conectarse dispositivos perteneciente a este estándar. También es posible interconectar dispositivos GPIB y tarjetas
de adquisición de datos.
Las configuraciones posibles son tres:
• Uno o varios chasis conectados a un computador de propósito general mediante
GPIB, lo que permite seguir utilizando los comandos y utilidades software GPIB.
• Un computador empotrado en el interior de un chasis VXI con conexión directa
al resto de los dispositivos, lo que proporciona el máximo rendimiento.
• Un computador externo conectado directamente al bus VXI a través del enlace
MXIbus, que es una solución intermedia.
El bus VXI combina por un lado la variedad de dispositivos y facilidad de interconexión y comunicación caracterı́sticos de sistemas GPIB con la flexibilidad y modularidad de las tarjetas de adquisición. En el mercado existen multitud de instrumentos
sofisticados, como son computadores empotrados, generadores de señal, multı́metros,
fuentes de alimentación, etc.
Las plataformas en las cuales es posible construir un sistema VXI incluyen
PC AT o EISA, PS/2 (bus Micro Channel), Macintosh (NuBus), Sun SPARCstation
(SBus), IBM RS/6000 (Micro Channel), DECstation 5000 (TURBOchannel), etc.
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4. Instrumentación basada en PC
4.7.2
97
Bus CAMAC
El bus de instrumentación CAMAC (Computer Automated Measurement And Control)
presenta las siguientes caracterı́sticas:
• 24 bits de datos en paralelo y 86 lı́neas de conexión.
• Expansión hasta 7 unidades locales en paralelo mediante un bus de extensión de
66 lı́neas.
• Expansión hasta 70 unidades remotas en serie mediante un enlace constituido
por dos pares de cables.
• Software IML y FORTRAN.
• Velocidad máxima: 5 Mbits por segundo.
El bus principal (Dataway) transporta señales de datos y de control dentro de
una unidad (crate) formada por 24 elementos conectados y un controlador de unidad.
4.8
Adquisición de datos remota utilizando PC´s
Las aplicaciones remotas constituyen un grupo importante dentro de las aplicaciones de
adquisición de datos. Esto es debido a que en numerosas ocasiones no es aconsejable o
incluso posible colocar al computador en las inmediaciones del punto de toma de datos.
Las aplicaciones remotas pueden clasificarse, siguiendo un orden de complejidad
creciente en las siguientes categorı́as:
• Basadas en módulos de adquisición.
• Basadas en armarios pasivos de adquisición remota.
• Basadas en armarios inteligentes de adquisición remota.
La complejidad hace referencia, en este caso, al número de canales a muestrear
y a la velocidad de adquisición.
4.8.1
Interfaces de conexión
En las aplicaciones remotas existe siempre un compromiso entre velocidad de transmisión y distancia.
Para distancias cortas se emplean interfaces seriales estándar, variando el tipo
en función de los requerimientos de velocidad y la distancia.
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4.8. Adquisición de datos remota utilizando PC´s
98
• RS-232: 20 metros/20kbaud
• RS-422: 1200 metros/100kbaud
• RS-485: 20 metros/20kbaud
La interfaz RS-232 presenta las ventajas de una amplia disponibilidad, comunicación full duplex y la posibilidad de emplear terminales tontos. Como factores negativos tenemos la baja inmunidad al ruido, distancia de transmisión reducida máxima de
70 metros y conexión múltiple en daisy-chain (retardos, baja fiabilidad). La interfaz
RS-485 ofrece una elevada inmunidad al ruido, alta velocidad de transmisión y conexiones en paralelo, aunque tiene en contra la menor disponibilidad y la comunicación
half duplex.
Cuando la distancia aumenta se emplean diferentes estrategias como son:
Reducción de la velocidad Lo que permite mejorar la distancia empleando la misma conexión.
Repetidores Amplifican la señal para incrementar la distancia de transmisión. Dejan
de ser rentables cuando su número por conexión crece demasiado (más de cuatro).
Módems de fibra óptica Proporciona elevadas distancias de comunicación (3.5 km)
con alta velocidad (19,2 kbaud). Otros aspectos interesantes son su inmunidad
al ruido electromagnético y el aislar eléctricamente la aplicación del computador.
Módems de distancia corta Lı́neas dedicadas sobre las que se puede llegar hasta
40 km en distancia y 38,8 kbaud en velocidad (valor tı́pico 19,2 kbaud en 1250
m).
Módems de lı́nea telefónica analógica Lı́neas de teléfono con comunicaciones desde 1,2 a 57,6 kbaud.
La adquisición remota basada en módulos emplea módulos inteligentes basados
en microcontrolador para capturar las señales y enviarlas al PC vı́a RS-232 o RS-485.
Normalmente disponen de lı́neas de entrada para voltaje, corriente, termopares, cargas
resistivas, frecuencia y señales digitales. Pueden alimentarse de modo local o remoto e
incorporan etapas de acondicionamiento de señal.
Los módulos remotos son programables vı́a serie. Los conjuntos de instrucciones
más comunes incluyen:
Alarmas Habilitar y deshabilitar alarmas, fijar lı́mites superior e inferior, leer lı́mites.
Señales digitales Leer entradas, activar salidas.
Señales analógicas Leer datos.
Configuración Reinicio, lectura/escritura de opciones, calibración.
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4. Instrumentación basada en PC
99
Los racks o armarios de adquisición remota se emplean en aquellas aplicaciones
en las que los requerimientos bien en número de señales a leer bien en velocidad de
muestreo superan las prestaciones de los módulos de adquisición remotos. Los armarios
de adquisición son cajas reforzadas, de tamaño estándar industrial (19 pulgadas) que
contienen en su interior todo el material necesario para realizar la adquisición de datos,
desde las tarjetas, las interfaces de comunicación o la alimentación del sistema, todo
ello insertado en un conector pasivo. Constituyen una alternativa robusta con una
considerable capacidad de expansión.
El principal inconveniente de los armarios de instrumentación es la falta de un
estándar único. Existen multitud de sistemas propietarios incompatibles entre sı́ que
fuerzan al usuario a ”casarse”con un determinado fabricante.
Los armarios de instrumentación inteligentes son sistemas que incorporan, dentro de las tarjetas conectadas, un computador. Esta opción permite realizar un preprocesamiento de los datos adquiridos antes de transmitirlos al destino. De esta forma,
se consigue reducir la información a transmitir, aprovechando mejor el ancho de banda
disponible. Estos sistemas son similares a disponer de un PC industrial con tarjetas de
adquisición en su interior, sin embargo, a diferencia de estos últimos, no suelen estar
pensados para que el usuario interaccione directamente con ellos.
4.8.2
Guı́a de selección para aplicaciones de adquisición de
datos remotas
• Distancia corta (menos de 30 metros)
– Tamaño de la aplicación: pequeña (menos de 5 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-232 o RS-485.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-485.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con interfaz paralela.
– Tamaño de la aplicación: media (entre 5 y 30 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-485.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-485.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con interfaz paralela.
– Tamaño de la aplicación: grande (más de 30 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Armarios
de adquisición con interfaz RS-232 o RS-485.
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4.8. Adquisición de datos remota utilizando PC´s
100
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-485.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con interfaz paralela.
• Distancia media (entre 30 y 3000 metros)
– Tamaño de la aplicación: pequeña (menos de 5 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-485.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-485.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con interfaz paralela.
– Tamaño de la aplicación: media (entre 5 y 30 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-485.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-485.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con interfaz paralela.
– Tamaño de la aplicación: grande (más de 30 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Armarios
de adquisición con interfaz RS-485.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz paralela.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con interfaz paralela.
• Distancia lejana (entre 3 y 50 km)
– Tamaño de la aplicación: pequeña (menos de 5 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-232 y módems de 1200 baudios para lı́neas
ordinarias.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-232 y módems de 19200 baudios
con compresión sobre lı́neas dedicadas.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con módems de corto alcance.
– Tamaño de la aplicación: media (entre 5 y 30 canales)
Instrumentación - ULPGC
4. Instrumentación basada en PC
101
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-232 y módems de 1200 baudios para lı́neas
ordinarias.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-232 y módems de 19200 baudios
con compresión sobre lı́neas dedicadas.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con módems de corto alcance.
– Tamaño de la aplicación: grande (más de 30 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-232 y módems de 2400 baudios para lı́neas
ordinarias.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con módems de corto alcance.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con módems de corto alcance.
• Distancia muy lejana (más de 50 km)
– Tamaño de la aplicación: pequeña (menos de 5 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-232 y módems de 1200 baudios para lı́neas
ordinarias.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-232 y módems de 19200 baudios
con compresión sobre lı́neas dedicadas.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con módems de 19200 baudios y compresión sobre lı́neas dedicadas.
– Tamaño de la aplicación: media (entre 5 y 30 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-232 y módems de 1200 baudios para lı́neas
ordinarias.
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición con interfaz RS-232 y módems de 19200 baudios
con compresión sobre lı́neas dedicadas.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con módems de 19200 baudios y compresión sobre lı́neas dedicadas.
– Tamaño de la aplicación: grande (más de 30 canales)
∗ Velocidad de muestreo lenta (menos de 5 muestras/segundo): Módulos
remotos con interfaz RS-232 y módems de 2400 baudios para lı́neas
ordinarias.
Instrumentación - ULPGC
4.9. Adquisición de datos en red y Fieldbus
102
∗ Velocidad de muestreo media (menos de 10000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con módems de 19200 baudios y compresión sobre lı́neas dedicadas.
∗ Velocidad de muestreo alta (más de 100000 muestras/segundo): Armarios de adquisición inteligentes con módems de 19200 baudios y compresión sobre lı́neas dedicadas.
4.9
Adquisición de datos en red y Fieldbus
La adquisición de datos en red surge de la mezcla de dos tecnologı́as, la interconexión
de equipos mediante red y la adquisición de datos, en un entorno común. Básicamente,
son posibles tres aproximaciones:
Adquisición de datos en una red Cliente/Servidor En este esquema, el sistema
de adquisición de datos está conectado a uno de los clientes de la red. Los datos
son transferidos al servidor, desde donde son accesibles al resto de los clientes.
Adquisición de datos en una red “peer-to-peer” En aplicaciones de dimensión
menor puede emplearse este esquema de comunicación todos contra todos, de
forma que los datos son transferidos directamente desde el cliente de adquisición
a las aplicaciones que corren en los clientes de procesamiento.
Adquisición de datos con conexión directa a la red Esta alternativa consiste en
equipar a los propios elementos de adquisición con interfaces de red, de manera
que no es necesario acceder al recurso de las comunicaciones desde un PC dedicado. Las ventajas de esta opción son la reutilización de instalaciones y las
altas velocidades de transferencia, todo ello a costa de una mayor complejidad de
configuración.
4.9.1
Fieldbus
El Fieldbus es un estándar en comunicaciones con sensores y actuadores de campo que
pretende reemplazar los bucles de corriente (4-20 mA) utilizados tradicionalmente por
señales digitales.
Cuatro son las propiedades fundamentales caracterizan esta propuesta:
• Sustitución digital de los bucles 4-20 mA.
• Funciones de control, alarma, tendencia y otras distribuidas sobre los dispositivos
de campo.
• Interconexión entre dispositivos de distinto fabricante.
• Sistema abierto.
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4. Instrumentación basada en PC
103
Las ventajas fundamentales del Fieldbus derivan de su naturaleza digital, y se
traducen en una mayor fiabilidad y velocidad en las comunicaciones, el acceso remoto a
opciones de configuración y diagnóstico, la lectura de múltiples variables desde el mismo
dispositivo o la reducción del cableado (posibilidad de conectar múltiples dispositivos
al mismo cable).
Otro aspecto importante es la sustitución de muchas funciones hardware por
bloques de funciones software, con el consiguiente aumento de la flexibilidad, rapidez
de reconfiguración o capacidad de expansión.
La arquitectura del sistema consta de dos partes: interconexión y aplicación.
La primera está vinculada a la transferencia de datos entre los diferentes elementos
del sistema, mientras que la segunda hace referencia a la función desempeñada por el
sistema.
La arquitectura de interconexión se estructura en tres niveles que están relacionados con otros tres niveles del modelo OSI (estándar ISO): nivel fı́sico (1), nivel de
enlace (2) y nivel de aplicación (7). Un dispositivo Fieldbus posee tres procesos en el
nivel de aplicación: el bloque funcional, el gestor de la red y el gestor del sistema.
La comunicación a través del medio fı́sico admite diferentes configuraciones en
cuanto a soporte (cable, fibra óptica, radio) y velocidad (31.5 kbits/seg, 1 Mbit/seg,
2.5 Mbit/seg). Los datos se intercambian en forma de señal serial sı́ncrona half-duplex,
van precedidos de un preámbulo de sincronización y emplean codificación Manchester
(Biphase L).
Las distancias alcanzables dependen lógicamente de la velocidad. Ası́, la separación máxima permitida entre dispositivos varı́a desde 1900 m a 31.25 kbits/seg hasta
500 m a 2.5 Mbit/seg.
Fieldbus permite establecer múltiples canales para comunicar a los procesos del
nivel de aplicación. Estas comunicaciones, que pueden ser simultáneas, se modelan
de dos formas distintas: modelo cliente/servidor para las comunicaciones acı́clicas y
modelo publicación/subscripción para las cı́clicas.
El sistema de control se organiza siguiendo un paradigma de programación orientada a objetos. Los objetos base son las variables: enteros, ristras, valores en coma
flotante, etc. Se define una jerarquı́a en la que las variables constituyen los parámetros
de los bloques funcionales, que forman parte del proceso de aplicación, que a su vez se
encuentra dentro del dispositivo que integra el sistema.
La configuración del sistema se realiza mediante los bloques funcionales. El usuario debe seleccionar los bloques necesarios para implementar la estrategia de control,
interconectarlos y ajustar los parámetros para conseguir el comportamiento deseado.
Los tipos de bloques básicos son:
Bloques analógicos de entrada Corresponden a los elementos sensores. Además
de la transferencia de las variables leı́das, pueden incluir opciones de calibrado,
preprocesado de los datos (filtrado, linealizado) o funciones de alarma.
Instrumentación - ULPGC
4.9. Adquisición de datos en red y Fieldbus
104
Bloques PID Asociados a controladores que cierran los bucles de control. Admiten
también funciones de alarma.
Bloques analógicos de salida Vinculados a los efectores o actuadores finales.
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