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Timestamp: 2019-03-20 05:06:06+00:00

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Información ingreso 2019
INSTRUMENTACIÓN BASADA EN COMPUTADOR
Ing. Marco Singaña
En la instrumentación tradicional un instrumento actúa totalmente aislado, con
capacidades predefinidas por el fabricante, con un conjunto de entradas y salida fijas,
interfaz con el usuario basada en botones, perillas, led y displays que permiten
controlar o cambiar algunas de las características del instrumento, que en el fondo es
un dispositivo electrónico que contiene amplificadores de instrumentación, filtros,
conversores A/D microprocesadores, memorias, y buses de comunicación para poder
convertir y representar una señal eléctrica en formas numérica o a través de un display
o un gráfico; es por esto que el Instrumento tradicional representa una arquitectura
cerrada, impidiendo realizar algún cambio en su funcionalidad y necesariamente
cualquier modificación pasa por realizar cambios en la circuitería interna del equipo, lo
que evidentemente es muy poco factible.
La rápida adopción de la PC en los últimos 20 años generó una revolución en la
instrumentación de ensayos, mediciones y automatización. Un importante desarrollo
resultante de la presencia del PC es el concepto de instrumentación virtual, el cual
ofrece variados beneficios en aplicaciones que requieran mayor productividad,
precisión y rendimiento.
El término "virtual" nace precisamente a partir del hecho de que cuando se utiliza el
PC como "instrumento" es el usuario quién, a través del software, define su
funcionalidad y "apariencia" y por ello se dice que "virtualizamos" el instrumento, ya
que su funcionalidad puede ser definida una y otra vez por el usuario y no por el
El PC comienza a ser utilizado para realizar mediciones de fenómenos físicos, como
temperatura, presión, caudal, etc.; representados en señales de corriente y/o voltaje.
Sin embargo, el concepto de "instrumentación virtual" va más allá de la simple
medición de corriente o voltaje, sino que también involucra el procesamiento, análisis,
almacenamiento, distribución y despliegue de los datos e información relacionada con
la medición de una o varias señales específicas. Es decir, el instrumento virtual no se
conforma con la adquisición de la señal, sino que también involucra la Interfaz
Hombre-Máquina, las funciones de análisis y procesamiento de señales, las rutinas
de almacenamiento de datos y la comunicación con otros equipos.
Un instrumento virtual es definido entonces como una capa de software y hardware
que se le agrega a un PC en tal forma que permite a los usuarios interactuar con la
computadora como si estuviesen utilizando su propio instrumento electrónico "hecho a
Para construir un instrumento virtual, se requiere de un PC del tipo industrial, o una
estación de trabajo, una tarjeta de adquisición de datos con acondicionamiento de
señales (PCMCIA, ISA, XT, PCI, etc.) y el software apropiado; teniendo un sistema de
acondicionamiento de señales como elemento opcional.
Se dice que el "acondicionamiento de señales" es opcional, porque dependiendo de
cada señal y/o aplicación, se puede o no requerir amplificación, atenuación, filtraje,
aislamiento, etc. de cada señal. Si la señal está en el rango de los +/- 5Vdc y no se
requiere de aislamiento o filtraje, la misma puede ser conectada directamente la tarjeta
de adquisición de datos.
anteriormente, se podría construir un osciloscopio "personalizado", con la interfaz
gráfica que uno desee, agregándole inclusive más funcionalidad. Sin embargo, este
mismo sistema puede también ser utilizado en la medición de temperatura, o en el
control de arranque/parada de una bomba centrífuga. Es allí donde radica uno de los
principales beneficios del instrumento virtual, su flexibilidad. Este instrumento virtual no
sólo me permite visualizar la onda, sino que a la vez me permite graficar su espectro
de potencia en forma simultánea.
La Tabla 1 indica algunas de las principales diferencias entre el instrumento
convencional o tradicional, y el instrumento virtual:
Instrumento Tradicional Instrumento Virtual
Funcionalidad específica, con Funcionalidad ilimitada, orientado a
conectividad limitada. aplicaciones, conectividad amplia.
Hardware es la clave. Software es la clave
Alto costo/función Bajo costo/función, variedad de funciones,
Arquitectura "cerrada" Arquitectura "abierta".
Lenta incorporación de nuevas Rápida incorporación de nuevas
tecnología. tecnologías, gracias a la plataforma PC.
Baja capacidad de Alta capacidad de escalamiento, bajos
escalamiento, alto costo de costos de mantenimiento.
Por ejemplo, las técnicas utilizadas normalmente para evaluar las características de
medición de un multímetro digital (DMM) pueden ser utilizadas para evaluar las
características de medición de un instrumento virtual (VMM). Entre dichas
características se encuentran las siguientes (Tabla 2):
4 .1000 V 20 mV . etc.). Tabla 2.1 uV 0.41/2 dígitos 51/2 dígitos 41/2 dígitos de 16-bits) Rango de entrada 100 mV . Unix. Existe una tarjeta de adquisición de datos para casi cualquier bus o canal de comunicación en PC (ISA. la reusabilidad.). PCI. Características de comparación entre instrumentos La flexibilidad.1 uV 0. PCMCIA. DMM VMM con tarjeta VMM con tarjeta de especializada propósito general Hardware utilizado HP 34401 A DMM DAQCard 4050 PCI-MIO-16XE-10 No.).5 uV Rango de Entrada 100 mV .5 uV NMRR 60 dB 80 dB variable (80-120 dB) CMRR 70 dB (AC) 90 dB (AC) Variable: 140 dB (DC) 30 dB (DC) 80-120 dB Velocidad de medición 5-1 K lecturas/seg 10. etc. el bajo costo de mantenimiento.). MAC OS. etc. serial RS-232/485.1 uV 1. la rápida incorporación de nuevas tecnologías. La instrumentación virtual puede también ser implementada en equipos móviles (laptops). la personalización de cada instrumento. DOS.1/95/NT. el bajo costo por función. de Canales 1 1 16 (Diferencial) Conversión AC True RMS True RMS True RMS (por software) Resolución (convertidor 61/2 .250 V 100 mV . paralelo EPP. equipos distribuidos en campo (RS-485). o equipos industriales (NEMA 4X. 50.250 V (DCV) Sensibilidad (DCV) 0.750V 20 mV . el bajo costo por canal. Internet. USB. son algunos de los beneficios que ofrece la instrumentación virtual. equipos a distancia (conectados vía radio. PCI. CompactPCI. y existe un driver para casi cualquier sistema operativo (WIN 3. 60 100 K lecturas/seg (lecturas/seg. etc.1 uV 1.250V 100mV .) Klecturas/seg Fuente: National Instruments Corp.250V (ACV) (con acondicionamiento SCXI) Sensibilidad (ACV) 0. etc.
Se puede adaptar un instrumento virtual a las necesidades particulares sin necesidad de reemplazar todo el instrumento. dado que posee el software de aplicación instalado en la computadora y al amplio rango disponible de hardware para instalar en ella. se puede reducir los costos de inversión. aplicaciones y requerimientos varían muy rápidamente. A medida que la tecnología de circuitos integrados avanza y los componentes comunes se vuelven más baratos y poderosos. Reducción de Costos Utilizando soluciones basadas en la instrumentación virtual. cuyas necesidades. Existe una amplia variedad disponible de hardware que se puede o bien insertar en la PC o bien acceder a través de una red. Los diseñadores de sistemas. y sistemas operativos y tecnologías. Los PCs incluyen poderosos procesadores. 5 . desarrollo de sistemas y mantenimiento al mismo tiempo que mejora el tiempo de comercialización y la calidad de sus propios productos. esas plataformas también ofrecen un acceso sencillo a herramientas como la Internet. Hardware para insertar y de Red En la Instrumentación basada en la PC. Portabilidad Los instrumentos tradicionales también adolecen frecuentemente de falta de portabilidad. Además de incorporar características importantes. Lo que diferencia uno del otro es su flexibilidad y el hecho que se pueda modificar y adaptar el instrumento a sus necesidades particulares. necesitan flexibilidad para crear sus propias soluciones.VENTAJAS DE LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL Flexibilidad A excepción de los componentes especializados y los circuitos de los instrumentos tradicionales. que están cerrando rápidamente la brecha existente entre los instrumentos autónomos. así como también módulos de adquisición de datos. puertos de comunicación (serie y GPIB) y capacidad de mostrar resultados. Estos dispositivos ofrecen un amplio rango de capacidades de adquisición de datos a un costo significativamente inferior que el correspondiente a dispositivos dedicados. en tanto que los instrumentos virtuales que corren en las computadoras portátiles automáticamente incorporan esta naturaleza portátil. Ambos requieren uno o más microprocesadores. la arquitectura general de los instrumentos tradicionales es muy similar a la hallada en un instrumento virtual basado en PC. Estos avances en tecnología y rendimiento. los instrumentos virtuales aprovechan inherentemente los beneficios de la última tecnología de las PCs corrientes.
seguridad. entradas o salidas digitales. se demandan capacidades de rápido desarrollo y realización de prototipos. LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL DENTRO DEL PROCESO DE INGENIERÍA Los instrumentos virtuales brindan significativas ventajas en cada etapa del proceso de ingeniería. muestreo simultáneo y capacidades de generación de ondas. temporizadores. contadores. Los instrumentos virtuales ofrecen todas estas ventajas mediante la integración de características tales como: manejo de alarmas. Ejemplos típicos incluyen supercomputadoras. así como también datos o visualización de resultados desde múltiples sitios. Los exigentes requerimientos de las aplicaciones de Investigación y Desarrollo (I&D) requiere una integración ininterrumpida de software y hardware. Con los instrumentos virtuales se puede desarrollar rápidamente un programa. es más común utilizar la potencia de conectividad de los instrumentos con el fin de compartir tareas. precisión de las mediciones y mejor aislamiento de las señales. Diseño e Investigación En la investigación y el diseño. filtros. tomar mediciones desde un instrumento para ensayar un prototipo y analizar resultados. de alto rendimiento e interoperable. tendencias de datos históricos.también lo hacen las placas que ellos utilizan. desde la computadora de mesa a los sistemas embebidos y redes distribuidas. Dependiendo de la aplicación en particular. Junto con estos avances tecnológicos viene un incremento en las velocidades de adquisición de datos. Aplicaciones Distribuidas Un instrumento virtual no está limitado a estar confinado en una computadora autónoma. 6 . redes. Manufactura Las aplicaciones de manufactura requieren que el software sea confiable. monitoreo distribuido y dispositivos de control. Con los recientes desarrollos en tecnologías de redes y la Internet. todo ello en una fracción del tiempo requerido para ejecutar ensayos con instrumentos tradicionales. eliminando la posibilidad de error humano y asegurando la consistencia de resultados al evitar introducir variables desconocidas o inesperadas. desde la investigación y el diseño hasta el ensayo de manufactura. E/S industriales y conectividad empresarial. Cuando se necesita flexibilidad es esencial tener una plataforma ajustable y abierta. La amplia gama de placas y hardware podría incluir cualquiera de es as características o una combinación de ellas. Con los instrumentos virtuales también se puede automatizar un procedimiento de ensayo. el hardware podría incluir entradas o salidas analógicas.
Debido a esta funcionalidad. E/S distribuidas y placas de adquisición de datos insertables. PRÓXIMA GENERACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL La próxima generación de herramientas de instrumentación virtual necesita incluir tecnología de redes para lograr una rápida y fácil integración de Bluetooth. a menudo. Estas tareas subsidiarias son más manejables y más fáciles de probar dadas las menores dependencias que podrían causar comportamientos inesperados. 7 . Pueden definir cómo y cuándo la aplicación adquiere datos desde el dispositivo. La facilidad con la cual se puede realizar esta división de tarea depende en mayor medida de la arquitectura subyacente en el software. Contando con un software adecuado. herramientas modulares flexibles y la utilización de tecnologías comerciales se combinan para crear un marco de trabajo sobre el cual usted puede completar rápidamente el desarrollo de sus sistemas y también mantenerlos en el largo plazo. Puesto que la instrumentación virtual ofrece tantas opciones y capacidades en el desarrollo embebido tiene sentido que los desarrolladores de sistemas embebidos comprendan y revean esas herramientas. se puede conectar fácilmente muchas clases de equipos industriales. generalmente se abordan la tarea dividiéndola en unidades funcionales. HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES PARA CREAR INSTRUMENTOS VIRTUALES El software es el componente más importante de un instrumento virtual. cómo los procesa. Los conceptos de software y hardware integrados de instrumentación virtual. Cuando se trata de grandes proyectos. redes industriales. diseñando e integrando las rutinas que requiere un proceso en particular. Una importante ventaja que provee el software es la modularidad. se puede dotar a sus instrumentos con capacidades de inteligencia y de toma de decisiones de manera tal que se adapten cuando las señales medidas varíen inadvertidamente o cuando se requiera mayor o menor potencia de procesamiento. manipula y almacena los datos y cómo se presentan los resultados al usuario. Con la herramienta de software apropiada se pueden crear eficientemente sus propias aplicaciones. embebidos. tales como PLCs. También pueden crear las interfaces de usuario que mejor satisfagan el objetivo de la aplicación y de aquéllos que van a interactuar con ellas. Además de utilizar esas tecnologías. el software de instrumentación virtual requiere una mejor manera de describir y diseñar las relaciones de temporizado y sincronización entre sistemas distribuidos de una manera intuitiva para ayudar a lograr un más rápido desarrollo y control de estos sistemas que son. Ethernet inalámbrica y otras normas.
diales y gráficos a fin de emular paneles de control de instrumentos tradicionales. con la cual se puede:  Operar el programa de instrumentación  Controlar el hardware seleccionado  Analizar datos adquiridos  Visualizar los resultados Se puede personalizar paneles frontales con perillas. Figura 1. LabVIEW ofrece poderosas características que facilitan la conexión a una gran variedad de hardware y otros softwares. crear paneles de ensayo personalizados o representar visualmente el control y operación de procesos.SOFTWARE LABVIEW LabVIEW es una parte integral de la instrumentación virtual dado que provee un medio ambiente de desarrollo de aplicaciones que es fácil de utilizar y está diseñado específicamente para aplicaciones industriales. Panel Frontal de un Instrumento Virtual hecho con LabVIEW 8 . es que es un medio de programación gráfico. La similitud existente entre los diagramas de flujo y los programas gráficos acorta la curva de aprendizaje asociada con lenguajes tradicionales basados en texto. Programación Gráfica Una de las características más poderosas que LabVIEW ofrece. botones. creando interfaces gráficas de usuario en la pantalla del PC. Con LabVIEW se puede diseñar instrumentos virtuales a medida.
Con el lenguaje gráfico se puede desarrollar sistemas más rápidamente que con lenguajes de programación convencionales mientras que conserva la potencia y flexibilidad necesarias para crear una variedad de aplicaciones. instrumentos GPIB/IEEE 488 y serie RS-232 y PLCs.Figura 2. manejadores de instrumentos virtuales intercambiables IVI y VXIplug&play. Conectividad y Control de Instrumentos Diseñado para crear ensayos. tal como VISA. que 9 . PXI y software y hardware basados en la norma PXI Systems Alliance CompactPCI. equipos de adquisición de datos. también constituye un ambiente de desarrollo abierto. una norma que permite la operación entre instrumentos GPIB. productos para el control de movimientos y de visión. entre otros. El cumplimiento de normas por parte del software se basa principalmente en la habilidad del paquete de trabajar con otros sistemas de software y hardware de medición y control. el software de instrumentación virtual incluye una extensa funcionalidad para entradas y salidas prácticamente de cualquier tipo. Ambiente Abierto Aunque LabVIEW provee las herramientas para la mayoría de las aplicaciones. Diagrama de Bloques de un Instrumento Virtual hecho con LabVIEW Se puede determinar el comportamiento de los instrumentos virtuales conectando íconos entre sí para crear diagramas de bloques. LabVIEW posee bibliotecas listas para ser utilizadas con el objeto de integrar instrumentos autónomos. que son notaciones de diseño naturales. y normas abiertas. LabVIEW también tiene incorporadas las más importantes normas de instrumentación. serie y VXI. que es un manejador para la norma que rige la instrumentación VXI. mediciones y control de sistemas.
y formatos de datos XML. El desarrollo de sistemas operativos de tiempo real y embebido continúa creciendo rápidamente en la mayoría de las industrias a medida que la capacidad de cálculo es incorporada en paquetes más especializados y pequeños. 98. Con LabVIEW también se puede compilar código que corra en el sistema operativo de tiempo real VenturCom ETS a través del módulo LabVIEW Real-Time. construir un programa ejecutable o utilizar ActiveX. fácilmente se puede modificar los sistemas sin necesidad de adquirir nuevo equipamiento y crear bibliotecas enteras de instrumentación a costo menor que el correspondiente a un solo instrumento comercial tradicional. existen otras opciones que ofrecen claras ventajas para ciertos tipos de aplicaciones. XP. SQL. Es importante minimizar las pérdidas resultantes del cambio hacia nuevas plataformas y la elección del software correcto para dicho objetivo es un factor clave. Reducción de Costos y Preservación de la Inversión LabVIEW es un software versátil dado que se puede utilizar una sola computadora equipada con LabVIEW para innumerables aplicaciones y propósitos. Un gran número de fabricantes de hardware y software desarrollan y mantienen centenares de bibliotecas de LabVIEW y manejadores de instrumentos que ayudan a utilizar fácilmente esos productos con LabVIEW. LabVIEW minimiza esta preocupación ya que corre en Windows 2000. OPC. LabVIEW es independiente de la plataforma seleccionada: los instrumentos virtuales que se pueden crear en una plataforma pueden ser transportados de manera transparente a cualquier otra plataforma LabVIEW simplemente abriendo el instrumento virtual. A medida que cambian sus necesidades. Me. 95 y NT embebido así como también sobre Mac OS. No sólo es versátil sino también extremadamente efectivo desde el punto de vista del costo. También se puede compartir código hecho en LabVIEW como un DLL. no sólo por los reducidos costos de desarrollo sino también porque preserva la inversión del capital a lo largo de un extenso período. ajustándose a normas comerciales abiertas. no obstante ello. LabVIEW también ofrece maneras simples de incorporar programas en ActiveX. bibliotecas dinámicas (DLLs) y bibliotecas compartidas de otras herramientas. LabVIEW también ofrece un rango completo de opciones para comunicación y manejo de datos tales como TCP/IP. Plataformas Múltiples La mayoría de los sistemas computacionales utilizan alguna variante del sistema operativo Microsoft Windows. 10 . se reduce el costo total del sistema. Además. NT.definen la capacidad de interactuar entre múltiples fabricantes. La instrumentación virtual con LabVIEW demuestra ser económica. Sun Solares y Linux.
Capacidades de Análisis El software de la instrumentación virtual requiere de complejas herramientas de análisis y procesamiento de señales ya que la aplicación no se detiene justo cuando el dato es recogido. se puede descargar rutinas que hacen un uso intensivo del procesador a otras máquinas para lograr una ejecución más rápida. o extender sus soluciones más allá de su alcance original a medida que se identifiquen nuevos requerimientos. tipos de gráfico y más. así como también efectuar rotación. tanto para gráficos continuos como también para visualización de gráficos 2D y 3D. tamaño de fuentes. tales como: colores. tal como el LabVIEW Signal Processing Toolset (Paquete de Herramientas para el Procesamiento de Señales LabVIEW) a fin de complementar las ofertas de análisis. Esto asegura que las aplicaciones no sólo funcionarán bien. aún entre diferentes plataformas. Flexibilidad y Escalabilidad – Ventajas Clave Con los instrumentos virtuales basados en LabVIEW. se puede diseñar un ambiente de trabajo abierto que se integre de modo ininterrumpido con el software y el hardware. Además de ello. enfoque (zoom) y desplazamiento dinámico en estos gráficos.Desarrollo Distribuido Con LabVIEW se puede desarrollar aplicaciones distribuidas. LabVIEW incluye tecnologías normalizadas de redes. National Instruments provee software adicional. 11 . o crear aplicaciones de monitoreo y control remoto. Una tecnología de servidores poderosa puede simplificar la tarea de desarrollar aplicaciones grandes y que requieran de múltiples computadoras. Con herramientas de servidores fáciles de usar. tales como TCP/IP e incorpora protocolos robustos de publicación y suscripción. Además de las bibliotecas de análisis avanzado incluidas en LabVIEW. Se puede reconfigurar de manera instantánea los atributos de la presentación de los datos. sino que se podrán fácilmente integrar nuevas tecnologías en el futuro a medida que ellas se hallen disponibles. Capacidades de Visualización LabVIEW incluye un kit de herramientas de visualización para presentar datos en la interface del usuario de la instrumentación virtual.
SOFTWARE INTOUCH El software InTouch es una herramienta computacional que permite crear aplicaciones de interfaz entre hombre y computadora para los sistemas operativos de Microsoft. Enlace de objetos e incrustaciones (OLE). WindowViewer: Es el entorno de ejecución que se utiliza para mostrar las ventanas de gráficos creadas en WindowMaker Permite tener en aplicaciones: sistemas de alarmas distribuidas. sistema de tendencias históricas distribuidas. 12 . Con InTouch. etc. un diseñador puede crear aplicaciones con características completas y potentes que utilizan las características de Windows al máximo. incluyendo el Intercambio dinámico de datos (DDE). InTouch también se puede ampliar agregando asistentes personalizados. Figura 3. desarrollo de aplicaciones en red. gráficos y más. Panel Frontal de un Instrumento Virtual con InTouch Consta de dos componentes principales: WindowMaker: Es el entorno de desarrollo donde los gráficos orientados a objetos se utilizan para crear ventanas de visualización animadas y se pueden conectar a sistemas industriales. objetos genéricos y extensiones de script. conversión de resolución de pantalla.
FactoryFocus FactoryFocus es una versión sólo de visualización de la ejecución de InTouch 5. proporcionando a los operadores la capacidad de visualizar y reconocer simultáneamente información de alarmas desde múltiples ubicaciones remotas. 13 . en lugar de la resolución de visualización. farmacéuticos. semiconductores. petróleo y gas. químicos. Características especiales de InTouch InTouch incluye las siguientes características: Sistema de alarmas distribuidas El nuevo sistema distribuido soporta múltiples servidores de alarma o “suministradores” de forma concurrente.Las aplicaciones InTouch abarcan una multitud de mercados verticales incluyendo procesamiento de alimentos. ya que no se puede cambiar ningún dato. Direccionamiento de referencia dinámico Las referencias de fuente de datos se puede modificar de forma dinámica para direccionar múltiples fuentes de datos con una única etiqueta. La seguridad del sistema se incrementa con la capacidad de sólo visualización. No es necesario realizar modificaciones en las aplicaciones de InTouch para utilizar InTouch FactoryFocus. Conversión de resolución dinámica Ahora puede desarrollar aplicaciones con una resolución de pantalla y ejecutarlas en otra sin afectar a la aplicación original. Las aplicaciones también se pueden ejecutar con una resolución definida por el usuario. Historial distribuido El sistema de tendencia histórica distribuida le permite especificar de forma dinámica una fuente de datos de archivos históricos diferente para cada pluma de un gráfico de tendencia. Desarrollo de aplicación en red Las nuevas características de desarrollo remoto dan cabida a grandes instalaciones multinodo. Permite a los administradores y supervisores visualizar un proceso continuo de aplicación MMI en tiempo real. incluyendo la actualización de todos los nodos de una red desde una única estación de desarrollo. servicios públicos y otros. transporte.6 o posterior. pulpa y papel. automotores.
sujetos a acciones de corrección intermitente a través de sus puntos de consigna. Con el control digital asistido por computador se puede:  Lograr mayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejor producción con menores costes gracias a la utilización eficiente del material y del equipo. en forma simultánea y en tiempo real.Las características tales como enlaces de animación. 14 . ya que la acción de corrección y activación de alarmas es casi inmediata.  Mayor calidad en los productos fabricados a costos muy reducidos. Los lazos de control en este esquema se siguen realizando mediante controladores analógicos. analítica y matemáticamente nuestro proceso en cuestión de forma minuciosa). La siguiente Figura muestra este esquema de control. lo cual puede lograrse con un adecuado control industrial asistido por PC. CONTROL SUPERVISORIO (supervisor). que sea capaz de reducir sus costos y de proporcionar una calidad buena en sus productos. etiquetas. En este esquema la computadora juega solamente el papel de un supervisor. tendencias históricas y en tiempo real son sólo de visualización. resulta necesario desde el punto de vista financiero lograr una producción óptima. ya que no tiene acceso a ningún lazo de control y su única función es monitorear las variables controladas del proceso o bien. Sistema de control en el cual los lazos de control operan independientemente. modificar las referencias de control (setpoint). CONTROL DE PROCESOS POR COMPUTADOR Hoy en día.  Proporciona una gran cantidad de información a la dirección de control. el cual por orden histórico fue el primero en utilizarse. debe quedar claro que el control digital asistido por ordenador no hace milagros y que las ventajas anteriormente mencionadas solo se logran desarrollando un buen modelo que refleje exactamente el sistema de balance de materia y energía.  Mayor seguridad. ante la complejidad creciente de los procesos industriales y el aumento en la producción de estos. 1. además de incluir complejos algoritmos que le ayuden a minimizar los errores propios de sus unidades de adquisición de datos (para ello hay que analizar física. A pesar de la potencialidad de este sistema.
Sistema de control que realiza un aparato digital que establece directamente las señales que van a los elementos finales de control. CONTROL DISTRIBUIDO. Figura 4. En este esquema la computadora ejecuta uno o varios algoritmos de control para realizar directamente el control de una o varias variables de un proceso. CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC). dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolución del problema del control de fábricas con un gran número de lazos y teniendo en cuenta el 15 . Control Supervisorio 2. En la siguiente Figura se muestra el esquema de una computadora trabajando en control digital directo. Figura 5. En los años 70. Control Digital Directo (DDC) 3.
en forma de cable coaxial instalado en la planta. y con la opción de cambiar cualesquiera características de control de las variables del proceso. Como resultado de estos esfuerzos.. que es el más difundido a nivel industrial en la actualidad se utilizan computadoras o microcontroladores para reemplazar los lazos de control individuales que en el esquema antiguo se implementaban con controladores analógicos. o de relación o en cascada. PID. en los cuales. En esencia. se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones. para así distribuir el riesgo del control único. se llegó a las siguientes conclusiones generales: 1. el primer control distribuido para la industria apareció en Noviembre de 1975 (TDC 2000 de Honeywell).Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo. las alarmas. lo que obligaba a utilizar microprocesadores de 16 bits (que en aquellos tiempos eran una novedad y que hoy se considera obsoletos frente a los de 64 o 128 bits).. Además 16 . la diferencia entre el control distribuido y el control digital radica en que el primero necesita se configurado manualmente nodo a nodo y el segundo puede ser codificado electrónicamente.Descartar el empleo de un solo ordenador (control directo digital) por razones de seguridad y de capacidad de éstos (se colapsaban.estado de la técnica de los microprocesadores y la característica conservadora de la industria. es decir disponer de algoritmos de control seleccionables por software. a través del teclado. con un recorrido paralelo a los edificios y a la sala de control.. debía examinar las variables de proceso. el operador. En este esquema.. se adoptó el uso de uno o varios monitores TRC (actualmente son LCD. TFT o plasma).La velocidad en la adquisición de datos y su salida hacia los actuadores. 2. las características de control. los controladores y las interfaces para la comunicación con el operador de la planta. debía ser en tiempo real.. El ordenador personal también ha incorporado al control distribuido. así mismo se optó por el empleo de unidades de respaldo y la conexión de computadores paralelos.Cada control digital debía ser universal.) 3. el diagnostico de cada lazo de transmisión. PI. congelaban o sufrían espasmos térmicos que fusionaban ciertos componentes) y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar un cierto número de variables. 5... 4. el acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de los transmisores.Para eliminar el espacio de panel requerido por el control clásico. un solo controlador digital podría efectuar un control P. sin perturbar el control de la planta. etc.. que permitieran resolver todas la situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema (de este modo. Permite la visualización de las señales de múltiples transmisores.
Figura 6. asignación de bandas portadoras de señal.Relación .PID con control anticipado (feedforward) . inversa).Salida manual . el tipo de señal.Adelanto-retardo . Control Jerárquico o Distribuido El controlador básico del sistema es un microprocesador que proporciona los clásicos controles PID y otros algoritmos de control.Sumador . termorresistencia). Es apto para el manejo de 8 lazos que proporciona.Rampas programadas (temperatura en procesos dinámicos) . las unidades de ingeniería (tipo de termopar.Divisor .Multiplicador .se usa una computadora de gran capacidad para realizar la función de supervisora que ya se describió en el esquema supervisor anterior. con la diferencia que en el nuevo esquema dicha computadora se auxilia de subsistemas que controlan una red local que sirve de interfaz de comunicación con cada controlador funcionando en control digital directo.PID normal .Extracción de raíz cuadrada . la acción de control (directa. 17 . entre otros. los siguientes algoritmos de control: .Contador Los algoritmos anteriores pueden configurarse de tal forma que se define cual es el ultimo modo de control a retener en caso de avería.PID con ajuste externo del punto de consigna . las alarmas. etc.
parecidas a programas de ordenador. mediante programas de operación.La estación de operación proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador de proceso. alarmas de tendencia que actúan si la variación de la variable excede de un valor prefijado. en las que el control básico está limitado. se asemeja a un ordenador personal. practica y elegante del software en un lenguaje especial. . las fases del proceso discontinuo y el tiempo estimado de ejecución de la operación.En el control discontinuo (Bach control). En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de enclavamiento y para el accionamiento de los motores de la planta.Los controles programables sustituyen a los relés convencionales utilizados en la industria. voluminosos y caros. y modificar ésta dinámicamente de acuerdo con los datos de la fórmula. HPV). proporciona las funciones de control lógico que permiten regular un proceso discontinuo (Bach control). debido a que se fabrican muchos productos diferentes en la misma unidad de fabricación. .COMPONENTES DEL CONTROL DISTRIBUIDO. con el correspondiente panel o cuadro de mandos y con los consiguientes cables de conexión. alarmas de estado de la señal de entrada o de salida. alarmas de desviación entre el punto de consigna (SP) y la variable controlada (PV). alarmas que indican que el proceso está fuera de control y que se acerca un desastre inminente. . al utilizar en su programación un lenguaje de alto nivel. se realiza. Esta información es manejada por los periféricos del ordenador. alarmas de situación crítica. es necesario que el equipo de control sea versátil para satisfacer la gran variedad de fórmulas que pueden presentarse. basado en la lógica de los relés. Los transmisores disponen de un sistema de auto 18 . etc. La tendencia del computador es a generar cada vez más información. el controlador programable aporta la solución versátil. Existen alarmas de alto y bajo valor de la variable (LPV. . El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemas convencionales de control. y el manejo de procesos complejos. la que debe ser transmitida rápidamente dentro de la planta.Las alarmas son importantes en el control de procesos.El controlador multifunción que. que establecen en el tiempo los puntos de ajuste de cada elemento para que tenga lugar la secuencia deseada. alarmas que indican el restablecimiento del control. La práctica usual es disponer de un programa de la formula principal.El control secuencial enlaza el control analógico (modulante con posiciones que varían continuamente en la válvula de control) con el control lógico. y en tiempo real. . el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. El control secuencial se realiza con un conjunto de instrucciones o sentencias. La presentación de la información a cada uno de ellos. .
ni.9%. Esquema generral de un control por computadora CONTROL EN TIEMPO REAL Un aspecto muy importante en el Control Automático de Procesos es “Tiempo Real” usado en sistemas de instrumentación y HMI/SCADA. Desde el punto de vista de la fiabilidad del equipo. en forma parecida a la humana. localizarlas y repararlas rápidamente.com/academic. Cuenca – Ecuador. en caso de que se produzcan. Lo anterior pone de manifiesto que los sistemas de control distribuido son hoy en día los que logran el mejor desempeño.com/latam 19 .000 horas/fallo en los controladores básicos hasta 220. dependiendo de la bondad del equipo. El sistema es redundante y puede considerarse como una inteligencia distribuida que. 1 MINCHALA I.calibración y diagnostico de averías que permite al personal de mantenimiento.2 hasta 99. State-Of-The-Art Technologies for Automation and Control. la fracción de tiempo que el sistema es operable. limita las consecuencias de un fallo.com. manteniendo el control del sistema.ec. y se define como: “Capacidad de un sistema de monitoreo de desplegar sus variables con un retardo mínimo de tiempo con respecto a la adquisición de datos”1.ni. Enlaces: www.highlights. la disponibilidad típica varía desde 99. es decir.000 horas/fallo en la vía de comunicaciones (cable coaxial). www. www. Se mostrará a continuación los elementos que integran el control distributivo. de la disponibilidad de piezas criticas y del mantenimiento. el número de horas/fallo de los elementos de control distribuido es considerable y varia en régimen permanente y a la temperatura de 25°C desde 10. En los sistemas de control distribuido. y este tiempo sigue creciendo con las nuevas técnicas de fabricación que se van incorporando a la industria. High Lights -National Instruments. Automatización Industrial y Sistemas HMI – SCADA. Figura 7. Ecuador. Otro parámetro es la llamada disponibilidad.
el Jitter puede ser muy largo o indefinido. y el Tiempo de Lazo real. Figura 8. el Jitter es de pocos microsegundos. Este concepto está más ligado con la idea de “A Tiempo”. Cuando se emplean computadoras. lectura de entradas y parámetros. que es la cantidad de tiempo utilizado en ejecutar el algoritmo de control completo (incluye. aparece un desfase o retardo en el tiempo que puede incidir en la exactitud instantánea del valor mostrado. Fuzzy Logic. como temperatura. con Interrupciones y respuestas (garantiza una respuesta a tiempo) y con Reducción de datos (requerido para garantizar que no se pierdan datos). puede pasar desapercibida. El tiempo de lazo de control varía según la complejidad del sistema. antes que “Muy Rápido”. para procesar información de datos de campo. controladores o cualquier dispositivo que funciona en base a un algoritmo. o incluso nanosegundos. PID. dentro de un período de tiempo garantizado”.Por ejemplo. requerida para el funcionamiento apropiado de un controlador). que se define como la diferencia de tiempo entre el Tiempo de Lazo teórico o deseado. que es la capacidad de responder a eventos o ejecutar acciones dentro de un período de tiempo determinado. y refrescamiento de salidas). En Tiempo Real se deben considerar conceptos como:  Determinismo. En la siguiente Figura se presenta un gráfico que describe de mejor manera el Jitter. En sistemas de control en tiempo real. ejecución de algoritmo on/off.. En sistemas que no trabajan en tiempo real. Tiempos de lazo de Control 20 . o puede ser considerable cuando se trata de variables rápidas.  Tiempo de Lazo de Control. particularmente en la medición de variables lentas. es la capacidad de responder a un evento o realizar una operación de modo confiable. un gráfico que va desplegando los datos adquiridos con retrasos de entre milisegundos hasta algunos segundos. Este problema. Desde el punto de vista de sistemas de control estricto: “Respuesta de Tiempo Real. etc. sin falla. La definición del determinismo es importante ya que está relacionado con Control (garantiza estabilidad. • Jitter (fluctuación).
Voltajes DC. antivirus. generadas por Contadores. tal es el caso de Armónicos. existen muchas plataformas. Vibración. acondicionamiento de señales. para conocer si el sistema operativo Windows puede trabajar en Tiempo Real. software de aplicación y una PC para realizar medidas. Temporizadores. se pueden utilizar dispositivos como: 21 . Para la adquisición de señales. Comunicaciones.  Señal en Dominio de la Frecuencia. utilitarios de disco.) • El Servicio de interrupciones siempre activo (teclado. etc. En lo relacionado con el software para control de procesos en tiempo real. Discreta. actuadores. Se concluye que Windows puede acercarse a “Tiempo Real”. La adquisición de datos basada en PC utiliza una combinación de hardware modular. etc. LVDT. presión o sonido. Sonido. red) • Los Drivers no diseñados para actuar determinísticamente. tales como. Voltajes AC. estado de máquinas. pero no garantiza la ejecución en Tiempo Real. Lazos de Control  Señal en Dominio del Tiempo. corriente. ratón. se debe considerar: • El tiempo de procesador compartido entre programas • Los programas corriendo en segundo plano (protectores de pantalla. sensores. complicados. Presión. Los sistemas de adquisición de datos incorporan señales. Video. dispositivos de adquisición de datos y software de aplicación. dividida en:  Señal Continua. como Temperatura. se debe identificar el tipo de señal: Analógica. como el encendido y apagado de cargas industriales.  Tren de Pulsos. lentos y costosos. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS El propósito de adquisición de datos es medir un fenómeno eléctrico y físico como voltaje. Generación de funciones. las cuales se caracterizan por:  Dificultad para la integración del software  Programación muy limitada  Poca capacidad para conectarse a la red  Los ambientes de desarrollo son diferentes.En lo relacionado con el PC. Resonancia Magnética. dividida en:  On/Off. En la adquisición de señales. tediosos. temperatura.
3. Es costoso. alta flexibilidad. 7.  Compact PCI.  PLC. 22 . ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Un Sistema de Adquisición de Datos no es más que un equipo electrónico cuya función es el control o simplemente el registro de una o varias variables de un proceso cualquiera. que se caracteriza por ser robusto y tiene la capacidad de contener varios instrumentos. Amplificadores operacionales. que es un Computador Industrial.  Toolkit para diseñar y simular diferentes algoritmos de control y seleccionar el más adecuado. Conversores A-D 8. Figura 9. que son de bajo costo. A veces el sistema de adquisición es parte de un sistema de control. Multiplexores digitales. para modelar el sistema con señales reales adquiridas del proceso. Circuitos Sample and Hold. 6. que es un dispositivo compacto. y por tanto la información recibida se procesa para obtener una serie de señales de control. 2. Sistema de Adquisición de Datos Un sistema de adquisición de datos es un equipo que permite tomar señales físicas del entorno y convertirlas en datos para procesar y presentar. Para el diseño del Sistema de Control se puede utilizar:  Toolkit de desarrollo. etc. 4. alta velocidad. tiene varias formas de comunicación con PC. confiable. Multiplexores analógicos. Las señales que va adquirir. De forma general puede estar compuesto por los siguientes elementos: 1. Aisladores. resistente. Son de baja velocidad. incluye acondicionamiento de señal. Sensores. Conversores D-A. Amplificadores de instrumentación.  Tarjetas DAQ. necesitan acondicionamiento previo. 5. tienen poca capacidad de análisis.
9. Para conseguir la mayor precisión posible la señal de entrada deber ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor pueda leer. 12. Entre las magnitudes físicas más importantes a registrar están: temperatura. 10. 13. iluminación. capacidad. Diversas pueden ser las variables ambientales. resistencia. Amplificación Es el tipo más común de acondicionamiento. flujo.). tienen la función de convertir la variable física que se desea registrar en una magnitud eléctrica (voltaje. lo cual determina generalmente el costo de sensor que será necesario utilizar. 11. Amplificadores operacionales En sus configuraciones básicas (inversora. etc. humedad.). Estructura de un Sistema de Adquisición de Datos Sensores o Transductores Los sensores tienen un rol vital en todo sistema de adquisición de datos. que en un momento determinado se puede necesitar controlar. Contadores. presión. Filtros. etc. Figura 10. comparadores de nivel y amplificadores de instrumentación. biológicas. esto provoca que sean también numerosos los tipos de sensores así como su principio de funcionamiento. peso. posición. son usados para garantizar que al 23 . industriales. conversor de corriente a voltaje. etc. no inversora. La etapa acondicionadora está formada básicamente por amplificadores operacionales. etc. etc. concentración. amplificadora. Inductancia. corriente. nivel. Comparadores. Fuentes de potencia. químicas. Microprocesadores.
Un motivo adicional para usar aislamiento es el garantizar que las lecturas del convertidor no son afectadas por diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo común. Entre las características de los amplificadores de instrumentación se tiene una impedancia de entrada infinita y una ganancia ajustable en ocasiones mediante una red resistiva de precisión externa o mediante resistores internos de precisión por interruptores o por software. En la medida que aumenta el número de entradas de un Multiplexor también aumenta su costo y el número de terminales de control que el mimo necesita. Amplificador de instrumentación Puede alternadamente sustituir al amplificador operacional. por lo cual es también muy necesario utilizar en una aplicación un Multiplexor con el número de entradas que se requiera. Generalmente los multiplexores se pueden dividir por el tipo de salida en simples y diferenciales. 8 ó 16 entradas. o por el número de entradas de 2. para proteger al mismo de transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Puesto que el mismo conversor está midiendo diferentes canales. su frecuencia máxima de conversión será la original dividida por el número de canales muestreados. concentración. En esencia la diferencia entre los multiplexores de salida simple y diferencial está en que para los últimos. Aislamiento Otra aplicación habitual en acondicionamiento de la señal es el aislamiento eléctrico entre el transductor y el ordenador. Los multiplexores diferenciales de mayor costo que los de salida simple. 4. Ellos permiten que para registrar varias señales diferentes se pueda utilizar un único conversor A/D y con ello disminuir de forma considerada el costo del sistema de adquisición de datos. 24 . Los amplificadores de salida simple se recomiendan cuando se multiplexan señales de naturaleza semejante: por ejemplo cuando se registra la temperatura en diferentes puntos. lo cual hace que sean más costosos. de modo que con un sólo convertidor se puede medir los datos de diferentes canales de entrada. pues los mismos tienen prestaciones superiores a los amplificadores operacionales normales. presión. la señal de referencia (tierra) es también multiplexada lo cual no ocurre para los multiplexores de salida simple. Multiplexado El multiplexado es la conmutación de las entradas del convertidor. son usados normalmente cuando son utilizadas para multiplexar señales de naturaleza diferentes por ejemplo: temperatura. conversor A/D le sea suministrado el rango máximo de voltaje y así el mismo pueda dar el mayor número de combinaciones posibles. siempre que la aplicación lo exija. etc.
que eliminará interferencias. Sample and Hold Dispositivo electrónico con dos posibilidades de trabajo. El sample and hold debe ser utilizado cuando la señal de voltaje que ingresa a un conversor A/D varia en un nivel suficiente como para que el conversor cambie 1/2 bit menos significativo en un tiempo menor que el que el conversor necesita para hacer la conversión. termistores o RTD. que necesitan de la misma. conocido como filtro antialiasing. que se suelen montar en un puente de Wheatstone). bien por su constitución interna. Por ejemplo. Filtrado El fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la señal observada. presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. en las señales cuasi-continuas. que es un filtro pasabajo pero con un corte muy brusco. ya que se si no se eliminasen aparecerían superpuestas a la señal medida. tal y como está en la entrada del mismo. necesitan un tipo distinto de filtro. modo Sample y modo Hold. como por ejemplos las galgas extensométricas. que elimina totalmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir. Excitación La etapa de acondicionamiento de señal a veces genera excitación para algunos transductores. (como la temperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4 Hz. suele ser una buena idea hacer esta corrección mediante circuitería externa.Cuando el sistema de adquisición y la señal a medir están ambas referidas a masa pueden aparecer problemas si hay una diferencia de potencial entre ambas masas. Las señales alternas. tales como la vibración. 25 . como los termopares. (como el termistor. que puede devolver resultados erróneos. que es una resistencia variable con la temperatura) o bien por la configuración en que se conectan (como el caso de las galgas. Aunque la linealización puede realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos. incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica. con el consiguiente error. Modo Sample: La señal pasa a la salida del dispositivo. apareciendo un "bucle de masa". Modo Hold: La salida se mantiene en el nivel de voltaje que existía en la entrada en el momento que la señal hold fue activada. Linealización Muchos transductores.
Conversor Análogo Digital Lógica de control: Los terminales de la lógica de control de conversor A/D generalmente determinan e inician el estado de las operaciones que el mismo realiza. etc. Por tanto la cuantificación implica una pérdida de información que no se puede olvidar. las referencias de voltaje que utiliza. fin de conversión. momento en el cual la salida binaria del convertidor nos da tanto la magnitud como el signo de la tensión que ha sido medida. 26 . sobre todo cuando el sistema admite señales positivas y negativas con respecto a masa. señales para la selección de varios canales. La cuantificación implica la división del rango continuo de entrada en una serie de pasos. La codificación es el paso por el cual la señal digital se ofrece según un determinado código binario. ajuste de off set. Figura 11. ya que puede hacer que obtengamos datos erróneos. (normalmente de tensión) realizando las funciones de cuantificación y codificación. Chip Enable. el rango de voltaje de entrada. RD. etc. Modelo Sample-Hold Conversor Analógico Digital A/D Es un sistema que presenta en su salida una señal digital a partir de una señal analógica de entrada. Este paso hay que tenerlo siempre en cuenta. Entre estos terminales están: Inicio de conversión. Lógica de funcionamiento: Mediante estos terminales se puede establecer el tipo de codificación que el conversor realizará (unipolar o bipolar). de modo que para infinitos valores de la entrada la salida sólo puede presentar una serie determinada de valores. WR. Chip Select. de modo que las etapas posteriores al convertidor puedan leer estos datos adecuadamente. Figura 12.
estos métodos establecen la relación existente entre el código de salida y el voltaje de entrada al conversor.Por ejemplo. en forma de una tensión de referencia externa. La tensión de fondo de escala depende del tipo de convertidor. Características básicas del conversor A/D Las características del conversor son:  Impedancia de entrada  Rango de entrada  Número de bits  Resolución  Tensión de fondo de escala  Tiempo de conversión  Error de conversión Número de bits [n]: Es el número de bits que tiene la palabra de salida del convertidor. Vi. se tiene que: Donde: Vi = Resolución del conversor n = Número de bits del convertidor Vfe = Tensión de fondo de escala. Resolución [Vi]: Es el mínimo valor que puede distinguir el convertidor en su entrada analógica. bipolar y unipolar. un convertidor de 8 bits con una tensión de fondo de escala de 2V tendrá una resolución de: En cambio. aquella para la que la salida digital es máxima. para el mismo convertidor. (aunque en algunos casos. la resolución será de: 27 . pero el diseñador normalmente lo fija. En resumen. Existen fundamentalmente dos métodos de codificación. como el del convertidor ADC 0804 la tensión de fondo de escala es el doble de la tensión de referencia). y por tanto la de fondo de escala. Así un conversor de 8 bits sólo podrá dar a la salida 2 8=256 valores posibles. y por tanto es el número de pasos que admite el conversor. si cambiamos la tensión de referencia. es decir. la mínima variación. o dicho de otro modo. en el voltaje de entrada que se necesita para cambiar en un bit la salida digital.
Si no se respeta el tiempo de conversión. 28 . sino que presenta una serie de errores que se debe considerar. Algunos de importancia son los siguientes: Error de offset: El error de offset es la diferencia entre el punto nominal de offset (cero) y el punto real de offset. Este error afecta a todos los códigos de salida por igual. en la salida se tendrá un valor.  Esperar a que el convertidor nos envíe una señal de fin de conversión. Tiempo de conversión: Es el tiempo que tarda en realizar una medida el convertidor en concreto. para un convertidor A/D este punto es el punto central de todos aquellos valores de la entrada que nos proporcionan un cero en la salida digital del convertidor. Un conversor no es un circuito perfecto. como consecuencia de la conversión en curso  El resultado de la última conversión Errores en los conversores analógico/digital. que dependiendo de la constitución del conversor será:  Un valor aleatorio. Para 8 bits y un Vfe de 10 Voltios. y dependerá de la tecnología de medida empleada. Vi = 2. Concretamente. Este tiempo se mide como el transcurrido desde que el convertidor recibe una señal de inicio de conversión (llamada SOC. Para tener un dato válido existen dos caminos:  Esperar el tiempo de conversión máximo que aparece en la hoja de características.44 mV Si aumenta el número de bits aumenta la efectividad del conversor. la exactitud del sistema y por tanto el precio del conversor. y puede ser compensado por un proceso de ajuste. Start of Conversión) hasta que en la salida aparece un dato válido. Evidentemente da una cota máxima de la frecuencia de la señal a medir. Vi = 39 mV Para 12 bits y un Vfe de 10 Voltios.
Si se considera un error que no afecte a la precisión total de la conversión. o nivel de líquidos. Error de linealidad (linealidad integral): Este error es la manifestación de la desviación entre la curva de salida teórica y la real. cada valor digital tiene un error de cuantificación de +. cada código digital representa un valor que puede estar dentro del ½ LSB a partir del punto medio entre valores digitales continuos. como temperatura. la salida indica distintos incrementos. Por tanto. (por lo que habrá de ser menor que ½ LSB). Error de offset Error de cuantificación: Es el error debido a la división en escalones de la señal de entrada. raramente se podrá digitalizar adecuadamente señales alternas. la frecuencia máxima de muestreo deberá ser: 29 . Este error es importante. Este error es uno de los más importantes cuando se están muestreando señales alternas de una frecuencia algo elevada. presión. Figura 13. (como por ejemplo el muestreo de voz) pero tiene poca importancia cuando medimos señales cuasi-continuas. Podemos verlo en esta figura: Como vemos. Este valor se corresponde con el escalonado de la función de transferencia real. la salida digital será siempre la misma. Error de apertura: Es el error debido a la variación de la señal de entrada mientras se está realizando la conversión. Para minimizar este tipo de error se usan los circuitos de muestreo y retención.½ LSB (Bit menos significativo). ya que si no se tiene en cuenta. frente a la ideal. de modo que para iguales incrementos en la entrada. de modo que para una serie de valores de entrada.
Por tanto es fundamental saber cuántas muestras hay que tomar. y puede ser desde una serie de buffers digitales incluidos en el circuito convertidor. Su función dentro de un sistema de adquisición de datos es proporcional un nivel de voltaje o corriente deseada a un elemento que permitirá variar la variable que se controla hasta llevarla al valor deseado. Donde: Ta = Tiempo de apertura del circuito de muestreo y retención. lo que puede simplificar el diseño enormemente. MUESTREO DE SEÑALES El muestreo de la señal implica pérdida de información respecto a la señal de entrada. Conversor Digital Analógico Etapa de salida es el conjunto de elementos que permiten conectar el sistema de adquisición de datos con el resto del equipo. El circuito de muestreo y retención puede estar a veces integrado dentro de la misma cápsula del convertidor. hasta un interfaz RS-232. o el tiempo total de conversión si el anterior no existe n = Número de bits del convertidor. Figura 14. Este tipo de dispositivo también se puede utilizar como generador de señales. 30 . ya que de un número infinito de valores posibles para la entrada sólo tenemos un valor finito de valores posibles para la salida. en el caso de sistemas de adquisición de datos comerciales. RS-485 o Ethernet para conectar a un ordenador o estación de trabajo. Conversor Digital Analógico D/A Dispositivo que convierte un código digital en una señal eléctrica correspondiente (voltaje o corriente).
Independientemente del uso final. tales como motores paso a paso y conmutadores. se observa que con más de 10 muestras por ciclo de señal. que es un 32% para una reconstrucción de orden cero.La respuesta a esta pregunta depende del error medio admisible. De cualquier modo. el método de reconstrucción de la señal (si es que se usa) y el uso final de los datos de la conversión. La precisión media de los datos muestreados puede mejorarse con estos métodos:  Aumentar el número de muestras por ciclo  Filtrado previo al multiplexado  Filtrar la salida del convertidor digital / analógico La mejora en la precisión media se produce con un pequeño aumento en el número de muestras por ciclo. y en muchas aplicaciones esto puede ser más que suficiente. o del 14 % para una reconstrucción de orden uno. Para ver el error medio de muestreo en los datos. Figura 15. 31 . como se puede ver en la siguiente Figura. Precisión de los datos muestreados Para una reconstrucción de orden cero. el error medio de los datos muestreados no es tan importante como para los dispositivos que requieren señales de control continuas. consideremos el caso en el que se toman dos muestras por ciclo de señal sinusoidal. el error total de las muestras será igual al error total del sistema de adquisición y conversión más los errores añadidos por el ordenador o cualquier sistema digital. El error medio entre la señal reconstruida y la original es la mitad de la diferencia de áreas para medio ciclo. Para dispositivos incrementales. Normalmente se usan entre 7 y 10 muestras por ciclo. se puede conseguir precisiones del 90 % o mejor. y la señal se reconstruye directamente desde un convertidor D/A sin filtrar (reconstrucción de orden cero). la precisión instantánea en cada muestra es igual a la precisión del sistema de adquisición y conversión.
al tomar varias muestras con un periodo de muestreo superior al de la señal medida. En este efecto también influyen los armónicos. aunque no su tipo. Efectos de Aliasing Como se aprecia. se llega a creer que la señal tiene una frecuencia mucho menor de la que realmente tiene. apareciendo un "alias" de la señal (de ahí el término). Efectos de Aliasing El aliasing se produce cuando la frecuencia de muestreo (fm) es menor que la frecuencia de la señal (fseñal). En la Figura siguiente se observa una señal sinusoidal. Como se observa en la Figura anterior. es la salida directa de un conversor analógico digital. señales que 32 . mientras que la de orden uno es la interpolación simple mediante rectas. y se refiere al hecho de que se puede interpretar de una manera no exacta la señal.Teorema de Nyquist o Teorema de muestreo El objetivo fundamental de la adquisición es el poder reconstruir la señal muestreada de una manera fiel. de modo que la señal se aproxima más a la original. Más. aplicando el teorema de Nyquist se puede saber al menos la frecuencia de la señal medida. para que la reconstrucción sea fiable. se deberá tomar muestras a una frecuencia unas 10 veces superior a la de la señal a evaluar. que es muestreada con dos medidas por ciclo y su reconstrucción mediante los dos métodos que más se usan (reconstrucción de orden cero y reconstrucción de orden uno) La reconstrucción de orden cero. Este efecto se pone de manifiesto en la siguiente figura: Figura 16. El teorema indica: La frecuencia mínima de muestreo (fm) para poder reconstruir la señal ha de ser el doble de la frecuencia de la señal (fseñal) a medir. ni si el muestreo es eficaz o no.
Es imprescindible que las líneas de alimentación estén debidamente desacopladas con el uso de condensadores. uno para los circuitos digitales y otro para los analógicos. que es adecuado para atenuar las fluctuaciones de la alimentación debidas al rizado de red. En resumen.  Adecuar la impedancia de salida de la referencia a la impedancia de entrada del convertidor. Por tanto.  Los planos de masa deben conectarse en un sólo punto. que muchas veces no se tiene en cuenta. como ruido y otras senoidales (armónicas). Este aspecto.  Debe haber dos planos de masa separados. sobre todo cuando se mide tensiones del orden de 1 o 2 mV. pero que también afectan a la señal bajo medida. OTROS CONCEPTOS DE ADQUISICIÓN DE SEÑALES Estabilidad de la tensión de referencia. 33 . En los casos en los que la señal de referencia sea externa. usar dos reguladores separados para cada uno de los bloques (analógico y digital). se puede indicar lo siguiente:  Las pistas de masa han de ser anchas y ocupar la mayor extensión posible (planos de masa). para evitar los transitorios de alta frecuencia. y si hay microcontroladores aparecerán en la alimentación picos de intensidad de la misma frecuencia. Filtrado de las líneas de alimentación. es fundamental y puede llegar a dar muchos problemas. o Si es posible. es imprescindible añadir condensadores cerámicos de unos 100 nF próximos al convertidor. de modo que pueden aparecer señales de alta frecuencia superpuestas. así como la tensión de alimentación que se le aplica.  Filtrar adecuadamente la salida de la referencia. pero siempre respecto a una tensión de referencia. y estas tensiones harán que el nivel de masa fluctúe.interfieren con la señal a medir. cualquier frecuencia de muestreo excesivamente baja nos da información falsa sobre la señal. Además del típico condensador electrolítico. con el consiguiente efecto en la circuitería analógica. que habitualmente es la masa del conector de alimentación. Estos picos generarán caídas de tensión al circular por las pistas de la placa. que aparentemente no son ruido. El problema se debe a que los conductores de alimentación tienen una resistencia no nula. Trazado adecuado y separado de la alimentación analógica y digital. se deberá tener en cuenta los siguientes aspectos:  Usar un elemento que de una tensión con poca deriva térmica. Los conversores usan varios métodos para digitalizar la señal.
esto es. • Interfaz con el bus: Se encarga de realizar las tareas de comunicación entre la tarjeta y el bus del ordenador. DISPOSITIVOS DE ADQUISICIÓN DE DATOS Hoy en día. Al crear sistemas basados en una PC. Diagrama de bloques de un dispositivo de adquisición de datos 34 . • Entradas/salidas digitales: Para la adquisición/generación de señales digitales. En una primera aproximación. ActiveX e Internet. sistemas abiertos. con una conexión en estrella. • Control: Circuitería encargada de controlar todo el flujo de datos entre los distintos bloques incluyendo la temporización de las conversiones A/D y D/A. como si se usan dos es necesario dividir las líneas de alimentación del mismo modo que las de masa. • Entradas analógicas: Se realiza la conversión a valores discretos de las señales analógicas de entrada. conectividad. A medida que los técnicos adoptan la PC para resolver un mayor número de aplicaciones. almacenamiento de datos a disco duro. se puede dividir las tarjetas de adquisición de datos genéricas en los bloques básicos indicados en la siguiente Figura. tal es el caso de los sistemas en tiempo real. tomar mediciones y automatizar procesos. • Salidas analógicas: Se convierten valores discretos en señales analógicas. o Tanto si se usa un regulador. éstas se han vuelto más exigentes. Si bien es cierto que un sistema de adquisición de datos y control en tiempo real no es fácil de lograr con una computadora personal. En la figura se puede observar dos canales de salida analógicos. Figura 17. bajo costo) y la habilidad de crear aplicaciones lo suficientemente confiables para desempañar el control de un sistema crítico. lo ideal sería contar con las mismas ventajas que ofrece una PC (interfaz gráfica. los usuarios están aprovechando las ventajas de las tecnologías de la computación más recientes como tarjetas de adquisición de datos (DAQ) insertables. muchas compañías en la industria de la manufactura usan PC personales en sus plantas y laboratorios para probar sus productos.
shtmldato. ref nº SLA013  Pallás Areny. frecuencia de muestreo máxima 100KHz.shtml  Texas Instruments: "Understanding Data Converters Application Report". Editorial Marcombo. la máxima frecuencia por canal será de 12.5 KHz. Bibliografía  http://www. • Esto significa que la velocidad de muestreo hay que dividirla entre el número de canales multiplexados. Figura 19.monografias.Entradas Analógicas Esquema básico de entrada analógica de una tarjeta DAQ: Figura 18. Por ejemplo: Tarjeta de adquisición. Si se desea muestrear los 8 canales. Multiplexado Analógico • El A/D toma una muestra de un canal e inmediatamente el multiplexor se encarga de conmutar la entrada del conversor para capturar la señal del siguiente canal. Diagrama de bloques de Entradas Analógicas MULTIPLEXADO ANALÓGICO Los equipos de instrumentación que constan de varios canales incluyen en su mayoría multiplexores analógicos que permiten abaratar el coste por canal. 1997. 35 . Ramón: "Adquisición y Distribución de Señales".com/trabajos17/sistemas-adquisicion-dato/sistemas- adquisicion-dato. 8 canales.
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