Source: https://www.scribd.com/doc/77835162/Manual-Isa-Teorico
Timestamp: 2018-03-18 11:02:00+00:00

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Uploaded by Yessica Jacqueline Saucedo Jiménez
I. Sistemas de Control por Computadora II. Redes de comunicación Industriales Sistemas de Supervisión de Control y Adquisición de datos (SCADA) IV. Sistemas de Visión V. Integración de Proyecto
M.C. Gloria Mónica Martínez Aguilar
INTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS
M.C. Gloria Mónica Martínez Aguilar Ing. Eduardo Salazar Valle
INTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 1
Competencias:..................................................................................................................................... 3 Objetivo de la Asignatura .................................................................................................................... 3 I. Sistemas de control por computadora........................................................................................ 3 Objetivo .......................................................................................................................................... 3 1.1 1.2 1.3 II. Control digital directo ....................................................................................................... 3 Control Supervisorio......................................................................................................... 7 Control Distribuido ............................................................................................................ 8
Redes de comunicación industriales ......................................................................................... 11 Objetivo ........................................................................................................................................ 11 2.1 2.2 2.3 Fundamentos de ETHERNET ...................................................................................... 21 Fundamentos de DEVICENET ..................................................................................... 30 Fundamentos de PROFIBUS ....................................................................................... 43 Sistemas de supervisión de control y adquisición de datos (SCADA). .................................. 50
Objetivo ........................................................................................................................................ 50 IV. Sistemas de Visión ................................................................................................................. 60
Objetivo ........................................................................................................................................ 60 4.1 Introducción a los sistemas de visión .......................................................................... 60
Ilusiones ópticas: ........................................................................................................................ 65 4.2 Dispositivos de formación de imágenes.......................................................................... 71 4.3 Aplicación de los sistemas de visión ............................................................................... 78 V. Integración de proyecto .......................................................................................................... 109 Objetivo ...................................................................................................................................... 109 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Propuesta de automatización ..................................................................................... 109 Especificación de material y equipo .......................................................................... 110 Diagramas técnicos ...................................................................................................... 110 Puesta en marcha ........................................................................................................ 110 Elaboración del Manual de Operación ....................................................................... 110
Competencias: Implementar sistemas de medición y control bajo los estándares establecidos, para el correcto funcionamiento de los procesos industriales. Objetivo de la Asignatura: El alumno integrará sistemas automáticos y de control, mediante protocolos de comunicación industriales, de acuerdo a normas, especificaciones técnicas y de seguridad, para mejorar y mantener los procesos productivos.
Sistemas de control por computadora.
El alumno describirá los elementos de la arquitectura de los diferentes sistemas de control por computadora, para determinar el sistema de una aplicación específica.
El control automático no se habría podido desarrollar sin un paso previo dado por los controladores con la aparición de los computadores digitales los que abrieron un campo muy amplio de avance. K. Åström hace una reseña de hitos históricos en el llamado control digital que hablan de esta evolución. Hasta el surgimiento de los sistemas digitales el único elemento de cálculo con que contaba la Ingeniería de Control eran los computadores analógicos electrónicos. Lo mismo ocurría con la implementación de los reguladores. Estos se construían con elementos analógicos mecánicos, neumáticos o electrónicos. Pero el desarrollo de la electrónica y de los computadores digitales llevó a cambiar rápidamente la concepción. Los primeros computadores digitales fueron usados en sistemas de control de procesos extremadamente complejos. Con la reducción constante de los precios y tamaño, hoy se implementan reguladores digitales individuales por lazo de control. Los computadores digitales son usados también como herramienta para el análisis y diseño de los sistemas automatizados. La automática o ciencia del control cuenta con elementos mucho más poderosos que en el pasado. Los computadores digitales están en constante progreso especialmente con los avances en la tecnología de la integración en muy alta escala (VLSIT). Se esperan importantes cambios en los próximos años.
En un primer momento se intentaba trasladar todos los algoritmos y mecanismos de diseño del campo analógico a los elementos digitales. Pero la teoría del control ha avanzado creando técnicas imposibles de implementar en forma analógica. Por lo tanto existen dos formas de analizar los sistemas discretos. Una, como una aproximación de los reguladores analógicos, pero ésta es una visión pobre y los resultados a lo sumo son iguales a los obtenidos anteriormente. La segunda es ver a los sistemas discretos de control como algo distinto y de esta manera obtener conclusiones más poderosas. Un sistema discreto se inserta en el lazo de control a fin de reemplazar el regulador pero e1 proceso físico continúa siendo continuo, en la mayoría de los casos de interés. La señal de salida se muestrea cada cierto tiempo (llamado período de muestreo) y es discretizada mediante un conversor analógico digital. Esta información es procesada y convertida nuevamente a analógica mediante un conversor digital analógico. Por lo tanto internamente, el computador se independiza del tipo de señal con que está trabajando y ve todas las magnitudes como una serie de valores discretos (de precisión finita). Por esto resulta cómodo trabajar con ecuaciones en diferencia en lugar de ecuaciones diferenciales como se hacía con los métodos analógicos.
Reloj Salida Continua y(t)
Figura 1.- Esquema básico de control por computadora
Analizando la historia del control digital se puede fijar como momento inicial los años '50 donde aparecen las primeras computadoras dedicadas al control proceso. Eran muy grandes en cuanto a volumen, tenían un gran consumo y generalmente su fiabilidad no era muy grande. En 1956 se instala en la compañía Texaco un sistema que controla 26 caudales, 72 temperaturas y 3 composiciones. Este computador realizaba una suma en 1 ms y una multiplicación en 20 ms. Su tiempo medio entre fallas (TMEF ó MTBF) que mide la fiabilidad de un equipo era de 50 a 100 hrs. solo para la CPU. Como características de la época se puede
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decir que no estaba avanzada aún la implementación de modelos en tiempo real. Lo que se usaba eran complejos modelos basados en el comportamiento físico del proceso. Había además un escaso desarrollo en materia de sensores. También se advierte por ese entonces un fuerte rechazo a la introducción de nuevas tecnologías. En 1962, en la Imperial Chemical Industries (en Inglaterra) se instala un control digital con 224 entradas comandando 129 válvulas. Se utiliza por ese entonces, como argumentación el concepto de Control Digital Directo (CDD o DDC), es decir que una única computadora controla toda una planta o proceso. Una suma se hacía en .1 ms y se multiplicaba en 1 ms. El TMEF había ascendido a unas 1000 hrs. Se comenzaba a reemplazar tableros de instrumentos por teclado y pantallas. Ya se observa una ventaja importante: la fácil reconfiguración del sistema. En 1965 comienza la era de las mini computadoras. Una mini computadora típica tenía una longitud de palabra de 16 bits, de 8 a 124k de memoria fija más una unidad de disco. Aparecen los circuitos integrados con lo que se reducen notablemente los costos y los tamaños. Aumenta la velocidad y la fiabilidad: una suma se ejecuta en 0,002 ms y en 0,007 ms una multiplicación. El TMEF sube a 20000 hs. Ya es posible pensar en aplicar el control digital a proyectos pequeños con lo que se observa un crecimiento de las aplicaciones de 5000 a 50000 en 5 años. El costo medio de una aplicación (en 1975) es de unos 10000 dólares llegando el costo total del proyecto a 100000 dólares. En 1975 hacen su aparición las microcomputadoras con un costo medio de 500 dólares y un consumo despreciable. Ahora cambia el concepto del sistema y se habla de control dedicado es decir dar a cada variable o grupo de ellas un control específico y personalizado. También en este momento se observa un gran desarrollo de la teoría de control. Con vistas al futuro se pueden prever avances en varios campos y con diversos ritmos. Uno de ellos es el propio conocimiento del proceso. Sus progresos son lentos pero constantes. Se ven potenciados actualmente por la facilidad en la recolección de datos y su posterior análisis. Asociado a esto están las técnicas de medición que se sofistican día a día al haber cada vez más sensores inteligentes incluso que incorporan computadores a bordo. Quizás el avance más espectacular sea en el terreno de la tecnología de los computadores. Se observan avances en varias áreas: desarrollos electrónicos en materia de integración (vlsi), en el dominio de las comunicaciones, en la presentación de la información, la aparición de nuevos lenguajes y en la arquitectura propia de los computadores.
Características del Control Digital Como características básicas del control digital se pueden mencionar las siguientes:  No existe límite en la complejidad del algoritmo. Cosa que sí sucedía anteriormente con los sistemas analógicos.  Facilidad de ajuste y cambio. Por el mismo motivo anterior un cambio en un control analógico implica, en el mejor de los casos, un cambio de componentes si no un cambio del controlador completo.  Exactitud y estabilidad en el cálculo debido a que no existen derivas u otras fuentes de error.  Uso del computador con otros fines (alarmas, archivo de datos, administración, etc.)  Costo vs. número de lazos. No siempre se justifica un control digital ya que existe un costo mínimo que lo hace inaplicable para un número reducido de variables.  Tendencia al control distribuido o jerárquico. Se ha pasado de la idea de usar un único controlador o computador para toda una planta a la de distribuir los dispositivos inteligentes por variable o grupos de estas e ir formando estructuras jerárquicas. En cuanto a la arquitectura de un lazo de control es de la forma en que lo muestra la Figura 2. El proceso en la mayoría de los casos es continuo, es decir se lo debe excitar con una señal continua y genera una salida continua. Esta señal, como en cualquier lazo de control es sensada por algún dispositivo que a su vez entrega una señal continua proporcional a la magnitud medida. Por otra parte está el computador que solo trabaja con valores discretos. Para compatibilizar ambos existen dos elementos: el CDA y el CAD que realizan la conversión de magnitudes.
Figura 2.- Control digital Directo.
Los sistemas de control de procesos se definen como los encargados de vigilar los procesos de la planta a través de redes de computadoras interconectadas que permiten mantener las condiciones necesarias para que no ocurra ninguna perturbación en los procesos de la misma. El sistema de control es responsable de tareas tales como monitorización y vigilancia para el cual existe un número de estaciones de trabajo (GUS, UWS, UxS, US, ver vocabulario) conectadas a través de una o más redes de área local, las cuales proveen acceso a un grupo de servicios distribuidos. La arquitectura física del sistema de control consiste en una serie de computadores, equipos electrónicos, sensores y actuadores interconectados. El control supervisorio es desempeñado por el operador, quién debe conocer ampliamente el sistema de control. Él debe tomar en cuenta:  La distribución de la arquitectura del sistema.  Los tipos de controles predominantes, tales como lazos de control cerrados automáticamente por el sistema, control secuencial, batch (por carga), algoritmos avanzados, etc.  Tipos de variables acopladas.  Las unidades de adquisición de datos del proceso se representan por los controladores de lazos PID y PLCs.  Medios de comunicación a través de redes de área local, conexión directa.  Distribución de los datos.
variables medibles ...
Referencias . . .
Figura 3.- Control Supervisorio.
El sistema de control distribuido (DCS) ha sido desarrollado para resolver la adquisición de grandes volúmenes de información, su tratamiento en centros de supervisión y mando, y la actuación en tiempo real sobre el proceso a controlar. Se trata de un sistema abierto, que permite la integración con equipos de otros fabricantes que realicen funciones específicas, y hace la función de canalizador de todos los datos recogidos para, a través de líneas de comunicación de alta velocidad, ponerlos a disposición de los usuarios de la planta. El sistema está especialmente recomendado para llevar a cabo la supervisión en plantas de diferentes procesos que en ellas se desarrollan, permitiendo a los usuarios disponer de una información procedente de distintos puntos del proceso. A su vez, este sistema dispone de módulos de software para la resolución de problemas específicos dentro de las plantas, como pueden ser el cálculo de rendimientos, cálculo de consumos o el módulo de mantenimiento. El DCS, está basado en los siguientes componentes principales:  Estación de control de proceso o unidad de control local.- Son una o varias cabinas que alojan fuentes de alimentación, módulos controladores, módulos de entrada/salida y regletas de conexión. Funcionalmente, en las unidades de control local, es donde se realiza el control lógico y, también, donde se realiza la adquisición de datos.  Bus de planta.- Están formadas por dos buses redundantes que permiten transmitir datos a alta velocidad entre unidades de control local, estaciones de operador e interfaces. Son redes de plantas, orientadas al control distribuido, que integran un conjunto de protocolos enlazados entre sí y estructurados de acuerdo con el modelo OSI. En los niveles de red y de transporte se utilizan el estándar TCP/IP. El nivel de aplicación proporciona toda una serie de servicios distribuidos a los procesos de aplicación de usuario.  Estaciones de operador.- Son equipos autónomos con pantallas y teclados, que permiten el acceso de Operador al proceso, para modificar puntos de consigna, señales de salida, arrancar secuencias y poner en marcha o parar motores. La pantalla informa al Operador de las alarmas existentes, le muestra las tendencias de las variables y le presenta
automáticamente informes que le ayudan a tomar las decisiones más adecuadas en cada caso.
 Estaciones de ingeniería.- Son equipos autónomos, desde los cuales se permite la configuración y carga de la programación de control.
 Otros nodos e interfaces.- Además de los anteriores, a través de la misma red de comunicaciones, se pueden incorporar al sistema diferentes equipos especializados en funciones complementarias a las propias de control, cuya información interesa relacionar con la que ya se dispone del sistema.
µcc en DDC µcc en DDC ... µcc en DDC
Sensores/ Actuadores
Computador a Supervisora
En D.D.C.
Figura 4.- Control Distribuido.
Esbozo histórico Periodo Pionero (fines de los 50‘s):  De 1956 a 1959: Primer trabajo serio implantado en la Texaco Oil Co. (Port Arthur Texas): Control supervisorio para 26 flujos, 72 temperaturas, 3 presiones y 3 concentraciones. Periodo del Control Digital Directo (inicios de los 60‘s):
 En 1962 (Imperial Chemical Industries en Inglaterra) se implanta el primer sistema que reemplaza todos los controladores analógicos de un proceso: medía 224 variables y controlaba 129 válvulas. Periodo de la minicomputadoras (fines de los 60‘s) Periodo de las microcomputadoras (inicios de los 70‘s)  Primer sistema de Control Distribuído: en 1975 Honeywell) (TDC2000 de
Periodo Actual (de los 80‘s hasta hoy) .- Uso generalizado del control digital. Desarrollo de la Teoría del Control Digital 1948  Oldenburg y Sartorius.- Ecuaciones de diferencias para SLIT‘s 1952  Ragazzini y Zadeh (USA) definen la Transformada Z. En forma independiente por Tsypkin (URSS), Jury (USA) y Barker (Inglaterra). 1960  R. Kalman Introduce la teoría del espacio de estado 1957  Bellman y Pontryagin (1962). Diseño de controladores = Problema de optimización. 1960  Kalman: problema LQR = Ecuación de Riccati. Introduce también la teoría de control estocástico  Filtro de Kalman 1969 – 1979  Metodos polinomiales para solución de problemas específicos de control (Kalman 1969, Rosenbrock 1970, Wonham 1974, Blomberg & Ylinen 1983, Kucera 1979. 1980… a la fecha  George Zames (1981). Introduce la técnica de diseño de controladores robustos denominada control H-infinito.  Alberto Isidori (1985). Introduce la geometría diferencial al estudio de los sistemas no lineales
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El alumno identificará las diferencias entre los distintos protocolos de buses de campo para implementar redes de comunicación.
Introducción a las redes industriales Según el entorno donde van a ser instaladas, en un ámbito industrial existen varios tipos de redes:  Red de Factoría.- Para redes de oficina, contabilidad y administración, ventas, gestión de pedidos, almacén, etc. El volumen de información intercambiada es muy alto, y los tiempos de respuesta no son críticos.  Red de Planta.- Para interconectar módulos y células de fabricación entre sí y con departamentos como diseño o planificación. Suele emplearse para el enlace entre las funciones de ingeniería y planificación con las de control de producción en planta y secuenciamiento de operaciones. Como ejemplo se tiene la transmisión a un sistema de control numérico del programa de mecanizado elaborado en el departamento de diseño CAD/CAM. Estas redes deben manejar mensajes de cualquier tamaño, gestionar eficazmente errores de transmisión (detectar y corregir), cubrir áreas extensas (puede llegar a varios kilómetros), gestionar mensajes con prioridades (gestión de emergencias frente a transferencia de ficheros CAD/CAM), y disponer de amplio ancho de banda para admitir datos de otras subredes como pueden ser voz, video, etc.  Red de Célula.- Para interconectar dispositivos de fabricación que operan en modo secuencial como Robots, Maquinas de control numérico (CNC), Autómatas programables (PLC), Vehículos de guiado automático (AGV). Las características deseables en estas redes son: Gestionar mensajes cortos eficientemente, capacidad de manejar tráfico de eventos discretos, mecanismos de control de error (detectar y corregir), posibilidad de transmitir mensajes prioritarios, bajo coste de instalación y de conexión por nodo, recuperación rápida ante eventos anormales en la red y alta fiabilidad. En este nivel, y a caballo entre e nivel de planta podemos ubicar las redes MAP (Manufacturing Automation Protocol) como ejemplo representativo.
 Bus de Campo.- Para sustituir cableado entre sensores-actuadores y los correspondientes elementos de control. Este tipo de buses debe ser de bajo coste, tiempo real, permitir transmisión serie sobre un bus digital de datos con capacidad de interconectar controladores con todo tipo de dispositivos de entrada-salida, sencillos, y permitir controladores esclavos inteligentes. Además, deben gestionar mensajes cortos eficientemente, tener la capacidad de manejar tráfico de eventos discretos, poseer mecanismos de control de error (detección y corrección), transmitir mensajes prioritarios, tener un bajo coste de instalación y de conexión por nodo, poder recuperarse rápidamente a los mensajes recibidos. Por regla general, tienen un tamaño pequeño (5 a 50 nodos), utilizan tráfico de mensajes cortos para control y sincronización entre los dispositivos, y la transferencia de ficheros es ocasional o inexistente. Según la cantidad de datos a transmitir, se dividen en buses de alto nivel, buses de dispositivos (unos pocos bytes a transmitir) y buses actuador/sensor (se trasmiten datos a nivel bit), pero en ningún caso llegan a transmitir grandes bloques de información.
Las redes de comunicaciones industriales deben su origen a la fundación FieldBus (Redes de campo). La fundación FieldBus desarrolló un nuevo protocolo de comunicación para la medición y el control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma. Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas (neumáticas de 3 a 15 psi en las válvulas de control y electrónicas de 4 a 20 mA cc). Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos históricamente; su precisión es diez veces mayor que la de la señal típica de 4-20 mA cc. En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones llamado bus. La tecnología fieldbus (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad creada para remplazar la clásica señal de 4-20 mA que aún se utiliza en muchos de los sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC (Controladores Lógicos Programables), instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control. La arquitectura fieldbus conecta estos instrumentos con computadores que se usan en diferentes niveles de coordinación y dirección de la planta. Muchos de los protocolos patentados para dichas aplicaciones tiene una limitante y es que el fabricante no permite al usuario final la interoperabilidad de instrumentos, es decir, no es posible intercambiar los instrumentos de un
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fabricante por otro similar. Es claro que estas tecnologías cerradas tienden a desaparecer, ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y así tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados. Con el mejoramiento de los protocolos de comunicación es ahora posible reducir el tiempo necesario para la transferencia de datos, asegurando la misma, garantizando el tiempo de sincronización y el tiempo real de respuesta determinística en algunas aplicaciones.
Tecnología de buses de campo Físicamente podemos considerar a un bus como un conjunto de conductores que conectan conjuntamente varios circuitos para permitir el intercambio de datos. Contrario a una conexión punto a punto —donde solo dos dispositivos intercambian información—, un bus consta normalmente de un número de usuarios superior, además que generalmente un bus transmite datos en modo serial, a excepción de algún protocolo de bus particular como SCSI o IEEE-488, utilizado para interconexión de instrumentos de medición, que no es el caso de los buses tratados como buses de campo. Para una transmisión serial es suficiente un número de cables muy limitado, generalmente dos o tres conductores y la debida protección contra las perturbaciones externas para permitir su tendido en ambientes de ruido industrial.
El intercambio puede llevar a cabo por medio de un mecanismo estándar. Flexibilidad de extensión. Conexión de módulos diferentes en una misma línea. Posibilidad de conexión de dispositivos de diferentes procedencias. Distancias operativas superiores al cableado tradicional. Reducción masiva de cables y costo asociado. Simplificación de la puesta en servicio.
Figura 5.- Ventajas de una red de campo
Necesidad de conocimientos superiores. Inversión de instrumentación y accesorios de diagnóstico. Costos globales inicialmente superiores.
Procesos de comunicación por medio de bus El modo más sencillo de comunicación con el bus es el sondeo cliente/servidor. Más eficiente pero también más costoso es el Token bus (IEEE 802.4) donde, desde el punto de vista físico tenemos un bus lineal, y desde el punto de vista lógico un token ring. El procedimiento token passing es una combinación entre cliente/servidor y token bus. Todo servidor inteligente puede ser en algún momento servidor. Clasificación de las redes industriales Si se clasifican las redes industriales en diferentes categorías basándose en la funcionalidad, se hará en:  Buses actuadores y sensores.- Inicialmente se usan un sensor y un bus actuador en conexión simple, dispositivos discretos con inteligencia limitada, como un fotosensor, un switch limitador o una válvula solenoide, controladores y consolas terminales.  Buses de campo y dispositivos calientes.- Estas redes se distinguen por la forma como manejan el tamaño del mensaje y el tiempo de respuesta. En
general, estas redes conectan dispositivos inteligentes en una sola red distribuida (Delta V de Emmerson). Estas redes ofrecen altos niveles de diagnóstico y capacidad de configuración, generalmente al nivel del poder de procesamiento de los dispositivos más inteligentes. Son las redes más sofisticadas que trabajan con control distribuido real entre dispositivos inteligentes.
Componentes de las redes industriales En grandes redes industriales, un simple cable no es suficiente para conectar el conjunto de todos los nodos de la red. Deben definirse topologías y diseños de redes para proveer un aislamiento y conocer los requerimientos de funcionamiento.  Bridge.- Con un puente la conexión entre dos diferentes secciones de red, puede tener diferentes características eléctricas y protocolos; además puede enlazar dos redes diferentes.  Repetidor.- El repetidor o amplificador es un dispositivo que intensifica las señales eléctricas para que puedan viajar grandes distancias entre nodos. Con este dispositivo se pueden conectar un gran número de nodos a la red; además, se pueden adaptar a diferentes medios físicos como cable coaxial o fibra óptica.  Gateway.- Un gateway es similar a un puente, ya que suministra interoperabilidad entre buses y diferentes tipos de protocolos; además, las aplicaciones pueden comunicarse a través de él.  Enrutadores.- Es un switch "enrutador" de paquetes de comunicación entre diferentes segmentos de red que definen la ruta hacia donde se transmite la información.
Topología de redes industriales Los sistemas industriales usualmente consisten en dos o más dispositivos. Como un sistema industrial puede ser bastante grande, debe considerarse la topología de la red.
Figura 6.- Topologías de red
Figura 7.- Topología en malla
Por tanto, una red en malla completamente conectada necesita n(n-1)/2 canales físicos para enlazar n dispositivos. Para acomodar tantos enlaces, cada dispositivo de la red debe tener sus puertos de entrada/salida (E/S).
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Una malla ofrece varias ventajas sobre otras topologías de red. En primer lugar, el uso de los enlaces dedicados garantiza que cada conexión sólo debe transportar la carga de datos propia de los dispositivos conectados, eliminando el problema que surge cuando los enlaces son compartidos por varios dispositivos. En segundo lugar, una topología en malla es robusta. Si un enlace falla, no inhabilita todo el sistema. Otra ventaja es la privacidad o la seguridad. Cuando un mensaje viaja a través de una línea dedicada, solamente lo ve el receptor adecuado. Las fronteras físicas evitan que otros usuarios puedan tener acceso a los mensajes. Topología en Estrella En la topología en estrella cada dispositivo solamente tiene un enlace punto a punto dedicado con el controlador central, habitualmente llamado concentrador. Los dispositivos no están directamente enlazados entre sí. A diferencia de la topología en malla, la topología en estrella no permite el tráfico directo de dispositivos. El controlador actúa como un intercambiador: si un dispositivo quiere enviar datos a otro, envía los datos al controlador, que los retransmite al dispositivo final.
Figura 8.- Topología en estrella
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Topología en Árbol La topología en árbol es una variante de la de estrella. Como en la estrella, los nodos del árbol están conectados a un concentrador central que controla el tráfico de la red. Sin embargo, no todos los dispositivos se conectan directamente al concentrador central. La mayoría de los dispositivos se conectan a un concentrador secundario que, a su vez, se conecta al concentrador central.
Figura 9.- Topología en arbol
Topología en Bus Una topología de bus es multipunto. Un cable largo actúa como una red troncal que conecta todos los dispositivos en la red.
Figura 10.- Topología en bus
Los nodos se conectan al bus mediante cables de conexión (latiguillos) y sondas. Un cable de conexión es una conexión que va desde el dispositivo al cable principal. Una sonda es un conector que, o bien se conecta al cable principal, o se pincha en el cable para crear un contacto con el núcleo metálico. Entre las ventajas de la topología de bus se incluye la sencillez de instalación. El cable troncal puede tenderse por el camino más eficiente y, después, los nodos se pueden conectar al mismo mediante líneas de conexión de longitud variable. De esta forma se puede conseguir que un bus use menos cable que una malla, una estrella o una topología en árbol. Topología en Anillo En una topología en anillo cada dispositivo tiene una línea de conexión dedicada y punto a punto solamente con los dos dispositivos que están a sus lados. La señal pasa a lo largo del anillo en una dirección, o de dispositivo a dispositivo, hasta que alcanza su destino. Cada dispositivo del anillo incorpora un repetidor.
Figura 11.- Topología en anillo
Topología Híbrida El bus lineal, la estrella y el anillo se combinan algunas veces para formar combinaciones de redes híbridas. Anillo en Estrella: Esta topología se utiliza con el fin de facilitar la administración de la red. Físicamente, la red es una estrella centralizada en un concentrador, mientras que a nivel lógico, la red es un anillo. "Bus" en Estrella: El fin es igual a la topología anterior. En este caso la red es un "bus" que se cablea físicamente como una estrella por medio de concentradores. Estrella Jerárquica: Esta estructura de cableado se utiliza en la mayor parte de las redes locales actuales, por medio de concentradores dispuestos en cascada par formar una red jerárquica. Protocolos de comunicación en redes industriales Un importante número de empresas en nuestro país presentan la existencia de islas automatizadas (células de trabajo sin comunicación entre sí), siendo en estos casos las redes y los protocolos de comunicación Industrial indispensables para realizar un enlace entre las distintas etapas que conforman el proceso. La irrupción de los microprocesadores en la industria han posibilitado su integración a redes de comunicación con importantes ventajas, entre las cuales figuran:  Mayor precisión derivada de la integración de tecnología digital en las mediciones  Mayor y mejor disponibilidad de información de los dispositivos de campo  Diagnóstico remoto de componentes
La integración de las mencionadas islas automatizadas suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente anidados. Esto da
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lugar a una estructura de redes Industriales, las cuales es posible agrupar en tres categorías: o Buses de campo o Redes LAN o Redes LAN-WAN Los buses de datos que permiten la integración de equipos para la medición y control de variables de proceso, reciben la denominación genérica de buses de campo. Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción. El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4-20mA o 0 a 10V DC, según corresponda. Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLC‘s, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisión. Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integración de equipos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no existe un bus de campo universal.
Ethernet es un estándar de redes de computadoras de área local con acceso al medio por contienda CSMA/CD ("Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de Colisiones"), es una técnica usada en redes Ethernet para mejorar sus prestaciones. El nombre viene del concepto físico de ether. Ethernet define las características de cableado y señalización de nivel físico y los formatos de tramas de datos del nivel de enlace de datos del modelo OSI. La Ethernet se tomó como base para la redacción del estándar internacional IEEE 802.3. Usualmente se toman Ethernet e IEEE 802.3 como sinónimos. Ambas se diferencian en uno de los campos de la trama de datos. Las tramas Ethernet e IEEE 802.3 pueden coexistir en la misma red.
Figura 12.- Cable de Ethernet.
Historia de Ethernet En 1970 mientras Abramson montaba la red ALOHA en Hawaii, un estudiante recién graduado en el MIT llamado Robert Metcalfe se encontraba realizando sus estudios de doctorado en la Universidad de Harvard trabajando para ARPANET, que era el tema de investigación candente en aquellos días. En un viaje a Washington, Metcalfe estuvo en casa de Steve Crocker (el inventor de los RFCs de Internet) donde éste lo dejó dormir en el sofá. Para poder conciliar el sueño Metcalfe empezó a leer una revista científica donde encontró un artículo de Norm Abramson acerca de la red Aloha. Metcalfe pensó cómo se podía mejorar el protocolo utilizado por Abramson, y escribió un artículo describiendo un protocolo que mejoraba sustancialmente el rendimiento de Aloha. Ese artículo se convertiría en su tesis doctoral, que presentó en 1973. La idea básica era muy simple: las estaciones antes de transmitir deberían detectar si el canal ya estaba en uso (es decir si ya había 'portadora'), en cuyo caso esperarían a que la estación activa terminara. Además, cada estación mientras transmitiera estaría continuamente vigilando el medio físico por si se producía alguna colisión, en cuyo caso se pararía y retransmitiría más tarde. Este protocolo MAC recibiría más tarde la denominación Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Detección de Colisiones, o más brevemente CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection). En 1972 Fellay se mudó a California para trabajar en el Centro de Investigación de Xerox en Palo Alto llamado Xerox PARC (Palo Alto Research Center). Allí se estaba diseñando lo que se consideraba la 'oficina del futuro' y Metcalfe encontró un ambiente perfecto para desarrollar sus inquietudes. Se estaban probando unas computadoras denominadas Alto, que ya disponían de capacidades gráficas y ratón y fueron consideradas los primeros ordenadores personales. También se estaban fabricando las primeras impresoras láser. Se quería conectar las computadoras entre sí para compartir ficheros y las impresoras. La comunicación tenía que ser de muy alta velocidad, del orden de megabits por segundo, ya que la cantidad de información a enviar a las impresoras era enorme (tenían una
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resolución y velocidad comparables a una impresora láser actual). Estas ideas que hoy parecen obvias eran completamente revolucionarias en 1973. A Metcalfe, el especialista en comunicaciones del equipo con 27 años de edad, se le encomendó la tarea de diseñar y construir la red que uniera todo aquello. Contaba para ello con la ayuda de un estudiante de doctorado de Stanford llamado David Boggs. Las primeras experiencias de la red, que denominaron 'Alto Aloha Network', las llevaron a cabo en 1972. Fueron mejorando gradualmente el prototipo hasta que el 22 de mayo de 1973 Metcalfe escribió un memorándum interno en el que informaba de la nueva red. Para evitar que se pudiera pensar que sólo servía para conectar computadoras Alto cambió el nombre de la red por el de Ethernet, que hacía referencia a la teoría de la física hoy ya abandonada según la cual las ondas electromagnéticas viajaban por un fluido denominado éter que se suponía llenaba todo el espacio (para Metcalfe el 'éter' era el cable coaxial por el que iba la señal). Las dos computadoras Alto utilizadas para las primeras pruebas de Ethernet fueron rebautizadas con los nombres Michelson y Morley, en alusión a los dos físicos que demostraron en 1887 la inexistencia del éter mediante el famoso experimento que lleva su nombre. La red de 1973 ya tenía todas las características esenciales de la Ethernet actual. Empleaba CSMA/CD para minimizar la probabilidad de colisión, y en caso de que ésta se produjera se ponía en marcha un mecanismo denominado retroceso exponencial binario para reducir gradualmente la ‗agresividad‘ del emisor, con lo que éste se adaptaba a situaciones de muy diverso nivel de tráfico. Tenía topología de bus y funcionaba a 2,94 Mb/s sobre un segmento de cable coaxial de 1,6 km de longitud. Las direcciones eran de 8 bits y el CRC de las tramas de 16 bits. El protocolo utilizado al nivel de red era el PUP (Parc Universal Packet) que luego evolucionaría hasta convertirse en el que luego fue XNS (Xerox Network System), antecesor a su vez de IPX (Netware de Novell). En vez de utilizar el cable coaxial de 75 ohms de las redes de televisión por cable se optó por emplear cable de 50 ohms que producía menos reflexiones de la señal, a las cuales Ethernet era muy sensible por transmitir la señal en banda base (es decir sin modulación). Cada empalme del cable y cada 'pincho' vampiro (transceiver) instalado producía la reflexión de una parte de la señal transmitida. En la práctica el número máximo de 'pinchos' vampiro, y por tanto el número máximo de estaciones en un segmento de cable coaxial, venía limitado por la máxima intensidad de señal reflejada tolerable. En 1975 Metcalfe y Boggs describieron Ethernet en un artículo que enviaron a Communications of the ACM (Association for Computing Machinery), publicado en 1976. En él ya describían el uso de repetidores para aumentar el alcance de la red. En 1977 Metcalfe, Boggs y otros dos ingenieros de Xerox recibieron una patente por la tecnología básica de Ethernet, y en 1978 Metcalfe y Boggs recibieron otra por el repetidor. En esta época todo el sistema Ethernet era propiedad de Xerox.
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Conviene destacar que David Boggs construyó en el año 1975 durante su estancia en Xerox PARC el primer router y el primer servidor de nombres de la Internet. La primera versión fue un intento de estandarizar ethernet aunque hubo un campo de la cabecera que se definió de forma diferente, posteriormente ha habido ampliaciones sucesivas al estándar que cubrieron las ampliaciones de velocidad (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet y el de 10 Gigabits), redes virtuales, hubs, conmutadores y distintos tipos de medios, tanto de fibra óptica como de cables de cobre (tanto par trenzado como coaxial). Los estándares de este grupo no reflejan necesariamente lo que se usa en la práctica, aunque a diferencia de otros grupos este suele estar cerca de la realidad. El principio de transmisión Todos los equipos de una red Ethernet están conectados a la misma línea de transmisión y la comunicación se lleva a cabo por medio de la utilización un protocolo denominado CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect que significa que es un protocolo de acceso múltiple que monitorea la portadora: detección de portadora y detección de colisiones). Con este protocolo cualquier equipo está autorizado a transmitir a través de la línea en cualquier momento y sin ninguna prioridad entre ellos. Esta comunicación se realiza de manera simple:
Cada equipo verifica que no haya ninguna comunicación en la línea antes de transmitir. Si dos equipos transmiten simultáneamente, entonces se produce una colisión (o sea, varias tramas de datos se ubican en la línea al mismo tiempo). Los dos equipos interrumpen su comunicación y esperan un período de tiempo aleatorio, luego una vez que el primero ha excedido el período de tiempo, puede volver a transmitir.
Los paquetes de datos deben tener un tamaño máximo. Debe existir un tiempo de espera entre dos transmisiones.
Luego de la primera colisión, un equipo espera una unidad de tiempo. Luego de la segunda colisión, un equipo espera dos unidades de tiempo. Luego de la tercera colisión, un equipo espera cuatro unidades de tiempo. ... Por supuesto, con una cantidad menor de tiempo aleatorio adicional.
Ethernet conmutada La topología de Ethernet descripta hasta ahora ha sido la de Ethernet compartida (cualquier mensaje transmitido es escuchado por todos los equipos conectados y el ancho de banda disponible es compartido por todos los equipos). Durante muchos años se ha dado un desarrollo importante: la Ethernet conmutada. La topología física sigue siendo la de una estrella pero está organizada alrededor de un conmutador. El conmutador usa mecanismos de filtrado y conmutación muy similares a los utilizados por las puertas de enlace donde se han utilizado estas técnicas por mucho tiempo. Inspecciona las direcciones de origen y destino de los mensajes, genera una tabla que le permite saber qué equipo se conecta a qué puerto del conmutador (en general este proceso se hace por auto aprendizaje, es decir, de manera automática pero el administrador del conmutador puede realizar ajustes adicionales). Al conocer el puerto receptor, el conmutador sólo transmitirá el mensaje al puerto adecuado mientras que los otros puertos permanecerán libres para otras transmisiones que pueden ser realizadas simultáneamente. Como resultado, cada intercambio puede llevarse a cabo a una velocidad nominal (mayor división de ancho de banda), sin colisiones y con un aumento considerable en el ancho de banda de la red (también a una velocidad nominal). Con respecto a saber si todos los puertos de un conmutador pueden comunicarse al mismo sin perder los mensajes, eso es algo que depende de la calidad del conmutador (non blocking switch). Dado que los conmutadores posibilitan evitar colisiones y que las tecnologías 10/100/1000 base T(X) cuentan con circuitos separados para la transmisión y la recepción (un par trenzado por dirección de transmisión), la mayoría de los conmutadores modernos permiten desactivar la detección y cambiar a modo full dúplex (bidireccional) en los puertos. De esta forma, los equipos pueden transmitir y recibir al mismo tiempo, lo que también contribuye al rendimiento de la red. El modo full dúplex es interesante, en especial, para los servidores que poseen muchos clientes. Los conmutadores Ethernet modernos también detectan la velocidad de transmisión que cada equipo utiliza (autosensing) y si el equipo admite varias velocidades (10, 100 o 1000 megabits/seg.) comienza a negociar con él para seleccionar tanto una velocidad como el modo de transmisión: semi dúplex o full dúplex. Esto permite contar con un almacenamiento de equipos con distintos
rendimientos (por ejemplo, un conjunto de equipos con varias configuraciones hardware). Como el tráfico transmitido y recibido ya no se transmite a todos los puertos, se hace más difícil rastrear lo que está pasando. Esto contribuye a la seguridad general de la red, que es un tema de suma importancia en la actualidad. Por último, el uso de conmutadores hace posible la construcción de redes geográficamente más grandes. En la Ethernet compartida, un mensaje debe poder esperar a cualquier otro equipo durante un período de tiempo específico (slot time) sin el cual el mecanismo de detección de colisiones (CSMA/CD) no funcione correctamente. Esto ya no se aplica en los conmutadores Ethernet. La distancia ya no es limitada, excepto por los límites técnicos del medio utilizado (fibra óptica o par trenzado, la potencia de la señal transmitida y la sensibilidad del receptor, etcétera). Direccionamiento de EtherNet. EtherNet usa un esquema de 48 bits de direccionamiento. Todos los dispositivos EtherNet tienen asignado 48 bits de direccionamiento por su fabricante. Cada fabricante ha asignado una porción de memoria para direcciones que se puede usar para sus productos. La memoria de direcciones es administrada y asignada por IEEE. Es responsabilidad de cada fabricante el que cada dispositivo tenga una dirección única en esa sección de memoria. La finalidad de esto es que no se puedan encontrar dos dispositivos con la misma dirección física. Cada paquete de Datos que se envían o reciben a través de la red de trabajo de EtherNet contiene dos direcciones una que corresponde al equipo que está transmitiendo la información y la otra es la del dispositivo receptor o de destino. La dirección del dispositivo receptor o de destino puede indicar un solo dispositivo o bien pude indicar toda una serie de dispositivos de destino dentro de la red de trabajo, o una emisión de direcciones con la intención de recibir información de todos los dispositivos que se encuentren dentro de la red de trabajo EtherNet. Cada tipo de direccionamiento tiene un formato especial reconocible que lo hace sencillo, de fácil comprensión de los tipos de mensajes y de los procesos de interfaces de la red de trabajo EtherNet. Las interfaces de la red de trabajo normalmente ignoran los paquetes de datos que no correspondan con su propia dirección dentro de la red de trabajo EtherNet, a menos que estén emitiendo paquetes de datos, o multi-reparto de datos en donde las interfaces de red están configuradas para pertenecer a un grupo de multireparto como miembro activo. Como resultado de este proceso de pantalla de direcciones, muchos de los dispositivos dentro de la red de trabajo de EtherNet ignora el tráfico de datos que no está dirigido a estos lo cual es importante dentro de la red donde los datos se
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mueven a velocidades de 10 o 100 Mbit/seg. A una velocidad de 10Mbits /seg. , Si un dispositivo acepta y procesa los mensajes existentes en la red de trabajo realiza una interrupción para recibir un mensaje de EtherNet uno cada 67 microsegundos; a la velocidad de 100 Mbits/seg., este dispositivo hará interrupciones cada 6.7 microsegundos. Todo el tiempo el dispositivo está realizando interrupciones para procesar y recibir mensajes y el mismo se prepara para recibir el próximo mensaje. Los dispositivos basados en microprocesadores de pequeña escala simplemente no pueden retomar la información y en consecuencia entran en falla o empiezan a romper los paquetes de datos. Esto básicamente sucede cuando la red es saturada con mensajes de EtherNet generados por dispositivos mal configurados o bien que se encuentren dañados.
EtherNet en la Automatización Industrial Una red EtherNet con protocolo TCP/IP puede expandir la plataforma de la planta productiva y ser conectada a la red corporativa-administrativa vía Internet. Generalmente este concepto es utilizado para la conducción de programas de mantenimiento, enviar y recibir datos desde sistemas MIS y MES, mejoramiento del control supervisorio, generar colectividad con las interfaces de operador, y la adquisición de eventos y alarmas. Estas funciones requieren de altas velocidades de respuesta y anchas bandas de datos que EtherNet ofrece. La respuesta en tiempo es secundaria con respecto de capacidad de todos los datos. Muchos usuarios normalmente utilizan EtherNet para propósitos de control, como interllaveado de procesadores, pero las aplicaciones donde se llevan a cabo requieren de redes de EtherNet a alta velocidad EtherNet-TCP/IP es la red LAN más popular por su protocolo, además por su uso en Internet, es sumamente sencillo y además es soportado por la mayoría de fabricantes de sistemas de cómputo y de control. EtherNet TCP/IP es también una opción natural debido a que es ampliamente soportado por los desarrolladores de software y equipos además que cuenta con el soporte MIS y MES. Si al implementar un tipo de comunicaciones de este tipo en donde se transfieren mensajes e información de control a través de la misma red de trabajo puede muchas ocasiones no ser apropiado para aplicaciones en donde la alta velocidad y lo determinístico y la repetibilidad del sistema es absolutamente requerida.
EtherNet como Red de Control Hoy en día EtherNet es usado principalmente como una red de información. Y por lo general ha sido punto de discusión en la automatización industrial acerca si es o no bueno para el uso de control en tiempo real. Fabricantes y suministradores de EtherNet y de otras opciones de redes, como Rockwell Automation, están trabajando muy de cerca con los usuarios para determinar cuándo sus aplicaciones se pueden ver beneficiadas por el uso de redes de EtherNet para control en tiempo real. La misión de los datos críticos en el esquema de control requiere de cierta precisión, y Rockwell Automation posee gran experiencia en esta área de redes de trabajo de control. Uno de los argumentos más comunes que tradicionalmente han sido usados a través del uso de EtherNet para control, es que EtherNet no es un sistema determinístico. La determinación habilita al usuario a predecir con exactitud la transmisión de los datos y garantizar la recepción de estos al mismo tiempo cada vez que se requiere (o bien un rápido reconocimiento aunque este no haya llegado
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y haya realizado una acción apropiada). Las mejoras de la tecnología de las redes de EtherNet mencionadas anteriormente han mejorado la determinación y actualizado la red EtherNet en gran manera. Los dominios de colisión a través de interruptores de rompimiento en un solo dispositivo o en pequeños grupos de dispositivos, disminuyen efectivamente el número de colisiones a casi cero. El sistema CSMA/CD nos provee el mecanismo para detectar y recobrar la contención de información cuando ocurre una colisión. Lo que es más, se está haciendo el esfuerzo en este rublo para crear un esquema de prioridad para mensajes dentro de EtherNet (IEEE 802.1p) que se implemente dentro de los interruptores y puedan ser potencialmente usados para dar prioridad a paquetes de mensajes y alarmas sobre los paquetes de programación y datos en EtherNet. De cualquier manera, todo esto son tecnologías no probadas en aplicaciones de control de alta velocidad. En muchas aplicaciones de tiempo sensitivo, un mensaje recibido después de tiempo podría colapsar el control de procesos, resultando perdidas de producción o también provocando daños en el equipo de control y/o procesos. La tardanza o la colapsión de los paquetes de datos dentro de EtherNet a través de los interruptores pueden ocasionar también que esto suceda. La pérdida de un repetidos o un interruptor en una aplicación de producción solo resultara en perdida de información de datos de producción; en cambio la perdida de datos de control daría como resultado no solo la perdida de producción sino también podría dar como consecuencia daños al equipo de producción por si mismo. Estos y otros problemas pueden ser resueltos determinando racionalmente los tipos de aplicaciones de control para cada tecnología de redes EtherNet TCP/IP para la cual son buenas o aceptables en su solución. Un ejemplo de una aplicación que puede ser una aplicación para control en tiempo real en redes EtherNet es una maquina con un proceso bien definido y del tipo cíclico que pueda tolerar ocasionalmente fluctuaciones entre transmisión de mensajes y la recepción de los mismos en tiempo. El usuario deberá manejar estos tres elementos claves: 1) el número de dispositivos en el sistema, 2) la frecuencia del intercambio de datos y 3) en tamaño de los paquetes de datos que se originaran. El mejor control sobre estos elementos proporcionaran una excelente aplicación de control de procesos dentro de una red EtherNet. Con el surtimiento de la tecnología de EtherNet de alta velocidad, las fluctuaciones del retraso en tiempo de los mensajes pueden decrecer. Actualmente, la experiencia de los usuarios finales poseen fluctuaciones en el rango de los 100 milisegundos entre ciclo y ciclo. El día de mañana estas fluctuaciones deberán estar en el rango de los 10 milisegundos. Como las fluctuaciones nunca van a estar eliminadas por completo, más y más aplicaciones de procesos vendrán a ser
candidatas para el uso de las tecnologías de redes EtherNet para el uso de control de procesos en tiempo real.
Figura 13.- Conector y cable Ethernet
Fundamentos de DEVICENET
Introducción DeviceNet es una red digital, multi-punto para conexión entre sensores, actuadores y sistemas de automatización industrial en general. Esta tecnología fue desarrollada para tener máxima flexibilidad entre los equipos de campo e interoperabilidad entre diferentes fabricantes. Introducido originalmente en 1994 por Allen-Bradley, DeviceNet transfirió su tecnología a ODVA en 1995. La ODVA (Open DeviceNet VendorAssociation) es una organización sin fines de lucro compuesta porcientos de empresas alrededor del mundo que mantiene, difunde y promueve la tecnología DeviceNet y otras redes basadas en el protocolo CIP (Common Industrial Protocol). Actualmente más de 300 empresas están registradas como miembros, y 800 más ofrecen productos DeviceNet de todo el mundo. La red DeviceNet está clasificada en el nivel de red llamada devicebus, cuyas características principales son: alta velocidad, comunicación a nivel de byte que incluye comunicación con equipos discretos y analógicos y el alto poder de diagnóstico de los dispositivos de la red (como se muestra en la figura 14).
Figura 14.- Avances Tecnológicos - Fuente: ATAIDE, F.H. (2004)
Datos cíclicos de sensores y actuadores, directamente relacionados al control y, Datos no cíclicos indirectamente relacionados al control, como configuración y diagnóstico.
Los datos cíclicos representan la información intercambiada periódicamente entre el equipo de campo y el controlador. Por otro lado, los no cíclicos son informaciones intercambiadas eventualmente durante la configuración o diagnóstico del equipo de campo. La capa física y de acceso a la red DeviceNet está basada en la tecnología CAN (Controller Area Network) y las capas superiores en el protocolo CIP, que define una arquitectura basada en objetos y conexiones entre ellos. El CAN fue originalmente desarrollado por la BOSCH para el mercado de automóviles Europeos para sustituir el cableado costoso por un cable en red de bajo costo en automóviles. Como resultado, el CAN tiene respuesta rápida y confiabilidad alta para aplicaciones principalmente en las áreas automovilística. Una red DeviceNet puede tener hasta 64 dispositivos donde cada dispositivo ocupa un nodo en la red, direccionados de 0 a 63. Cualquier de ellos puede ser utilizado. No hay ninguna restricción para el uso de ellos, aunque el uso de los 63 no es recomendable, ya que se utiliza para la puesta en marcha.
Figura 15.- Ejemplo de Red DeviceNet
Características de la red Topología basada en bus principal con ramificaciones. El bus principal debe ser hecho con el cableDeviceNet grueso, y las ramificaciones con el cable DeviceNet delgado o plano. Cables similares podrán usarse siempre y cuando sus características eléctricas y mecánicas sean compatibles con las especificaciones de los cables estándar DeviceNet. Permite o uso de repetidores, bridges, ruteadores y gateways. Suporta hasta 64 nodos, incluyendo el maestro, direccionados de 0 a 63 (MAC ID). Cable de 2 pares: uno para alimentación de 24V y otro para comunicación. Capacidad de insertar y cambiar en caliente, sin interrumpir a la red. Compatible con equipos alimentados por la red de 24V o como que tengan su propia fuente. Uso de conectores abiertos o cerrados. Protección contra conexión inversa y corto-circuito. Alta capacidad de corriente en la red (hasta 16 A). Usa la misma energía de la fuente de alimentación. Varias fuentes pueden ser usadas en la misma red para satisfacer las necesidades de la aplicación en términos de carga y la longitud de los cables. Velocidad de comunicación seleccionable: de 125,250 y 500 kbps. Comunicación basada en conexiones de E/S y modelo de pregunta y respuesta.
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Diagnóstico de cada equipo y de la red. Transporte eficiente de datos de control discretos y analógicos. Detección de direccionamiento duplicado en la red. Mecanismo de comunicación extremamente robusto para interferencias electromagnéticas.
Protocolo DeviceNet DeviceNet es una de las tres tecnologías de redes abiertas y estandarizadas, cuya capa de aplicación usa el CIP (Common Application Layer – Capa de Aplicación Común). Al lado de ControlNet y EtherNet/IP, posee una estructura común de objetos. Es decir, es independiente del medio físico y de la capa de enlace de datos. Esta capa es una capa de aplicación estándar, integrada a interfaces de hardware y software abiertas, constituye una plataforma de conexión universal entre componentes en un sistema de automatización, desde la fábrica hasta el nivel de internet. La Figura 16 muestra una arquitectura del CIP dentro del modelo OSI.
Figura 16.- El modelo OSI de los objetos del CIP (fuente: ODVA)
Transporte de datos de control de los dispositivos de I/O. Transporte de informaciones de configuración y diagnóstico del sistema que se controla.
Un nodo DeviceNet es entonces modelado por un conjunto de objetos CIP, los cuales encapsulan datos y servicios y determinan así mismo su comportamiento. El Modelo de Objeto Un nodo DeviceNet es modelado como una colección de objetos. Un objeto proporciona una representación abstracta de un componente particular dentro de un producto. Un ejemplo de objeto y una clase de objeto tiene atributos (datos), que proporcionan los servicios (métodos o procedimientos), e implementan comportamientos. Atributos, ejemplos, clase y direccionamiento del nodo desde (0-63) son direccionados por número. Existen objetos obligatorios (que tienen todos dispositivos) y objetos opcionales. Los objetos opcionales son aquellos que moldean el dispositivo de acuerdo con su categoría (llamado perfil) a la que pertenecen, tales como: AC/DC Drive, lector de código de barras o válvula neumática. Por ser diferentes, cada uno de ellos tendrá también un conjunto diferente de objetos. La Capa de Enlace de Datos (Data link layer) Devicenet utiliza el estándar CAN sobre la capa de enlace de datos. El gasto mínimo requerido por el protocolo CAN en la Capa Enlace de Datos mejora el trabajo de DeviceNet cuando se trata de mensajes. El marco de datos DeviceNet utiliza solamente el tipo de estructura de datos del protocolo CAN (entre otros existentes en el protocolo CAN). El protocolo utiliza un mínimo de banda para transmisión de los mensajes de CIP. El formato de la estructura de datos DeviceNet se muestra en la figura 17.
Figura 17.- Formato de la estructura de datos
Modos de Comunicación El protocolo DeviceNet tiene dos tipos básicos de mensajes, mensaje cíclico I/O y explícito. Cada uno de ellos es adecuado a un determinado tipo de dato, conforme se describe abajo:
Cíclic I/O: tipo de telegrama síncrono dedicado al procesamiento de datos prioritarios entre un productor y uno o más consumidores. Se dividen de acuerdo con el método de intercambio de datos. Los principales son: o Polled: método de comunicación en que el maestro envía un telegrama a cada uno de su lista de esclavos (scan list). Así mimo, en cuanto reciba la solicitud, el esclavo responde rápidamente a la solicitud del maestro. Este proceso es repetido hasta que todos sean consultados, reiniciando el ciclo. o Bit-strobe: método de comunicación donde el maestro envía un telegrama por la red con 8 bytes de datos. Cada bit de estos 8 bytes representa un esclavo que, se direcciona y responde de acuerdo con lo programado. o Cambio de Estado: método de comunicación donde el intercambio de datos entre el maestro y esclavo que ocurre cuando hubo cambios en los valores monitoreados/controlados, hasta un cierto límite de tiempo. Cuando este límite es alcanzado, la transmisión y recepción ocurren, incluso sin alteraciones. La configuración de esta variable de tiempo es hecha en el programa de configuración de la red. o Cíclico: otro método de comunicación muy semejante al anterior. La única diferencia está en la producción y consumo de mensajes. En este tipo, todo el intercambio de datos ocurre en intervalos regulares de tiempo, independiente de ser alterados o no. Este periodo también es ajustado en el software de configuración de la red. Mensaje Explícito: tipo de telegrama de uso general y no prioritario. Utilizado principalmente en tareas asíncronas tales como parametrización y configuración del equipo.
Archivo de Configuración Todo nodo DeviceNet tiene un archivo de configuración asociado, llamado EDS (Electronic Data Sheet). Este archivo contiene informaciones importantes sobre el funcionamiento del dispositivo y debe ser registrado en el software de configuración de la red. Capa Física y Medio de Transmisión DeviceNet usa una topología de red del tipo bus principal/derivación que permite que tanto para el cableado de la señal como el de la alimentación estén presentes
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en el mismo cable. Esta alimentación, es suministrada por una fuente conectada directamente en la red, y posee las siguientes características:
24Vdc; Salida DC aislada de la entrada AC; Capacidad de corriente compatible con los equipos instalados. El tamaño total de la red varía de acuerdo con la velocidad de transmisión (125,250, 500Kbps)
Topología de la red Las especificaciones de DeviceNet definen la topología y los componentes admisibles. La variedad de topologías posibles se muestra en la figura siguiente.
Figura 18.- Topologías posibles con la red DeviceNet
La especificación también trata del sistema de aterrizamiento, mezcla entre el cable grueso y delgado (thick ythin), terminadores, y energía de alimentación. La topología básica con derivación Principal (―trunkline-dropline‖) utiliza 1 cable (2 pares trenzados separados para alimentación y señal). El cable grueso (thick) o delgado (thin) puede ser usado para líneas principales o verticales. La distancia entre los extremos de la red varía con la velocidad de datos y la longitud del cable.
VELOCIDAD DE DATOS Longitud del Bus principal con cable grueso (―thick-trunk‖) Longitud del Bus principal con cable delgado (―thin-trunk‖) Longitud máxima para 1 derivación del bus principal (―maximum-drop‖) Longitud de las derivaciones agregadas al bus principal (―cumulative-drop‖) Cables
125 Kbps 500 m 100 m 6m 156 m
250 Kbps 250 m 100 m 6m 78 m
500 Kbps 100 m 100 m 6m 39 m
Hay 4 tipos de cables estandarizados: el grueso, mediano, delgado y plano. El más común o usado es el cable grueso para el bus y el cable fino para las derivaciones.
Figura 11.- Anatomía de los cables DeviceNet
Los cables DeviceNet más usados (delgado y grueso) tienen 5 conductores identificados y utilizados de acuerdo con la siguiente tabla:
Tabla 1.- Esquema de colores de los cables DeviceNet
Color del cable Blanco Azul Alambre desnudo Negro Rojo
CAN_H CAN_L Dreno VV+
Sinal DN Sinal DN Protección
Sinal DN Sinal DN No usado
Figura 19.- Vista de los componentes del cable DeviceNet
Los Puntos de alimentación (―Power Taps‖) que se pueden añadir en cualquier punto de la red haciendo posible la redundancia de la alimentación en la red. La corriente en la ―Línea principal‖ es de 8 amperios (con cable grueso ―thick‖). En el cable tipo ―delgado‖ la corriente máxima es de 3 amperios. Una opción optoaislada del proyecto permite dispositivos energizados externamente (por ej.: el inicio de los conductores AC y válvulas solenoides) compartiendo el mismo cable del bus. Otras redes basadas en CAN permiten solamente una única fuente de alimentación para la red entera.
Los dispositivos pueden ser alimentados directamente de la rede y comunicarse con el mismo cable. Los nodos pueden ser removidos o insertados en la red sin desconectar la red. Conectores Hay tres tipos básicos de conectores: abierto, mini-cerrado y micro-cerrado. El uso de uno o de otro depende de la aplicación y de las características del equipo o de la conexión que debe ser hecha. Veja en las figuras siguientes la codificación de los hilos en cada tipo.
Figura 20.- Conector abierto (open style)
Figura 21.- Conector mini-cerrado
Figura 22.- Conector micro-cerrado
Terminadores de la red Los terminadores en la rede DeviceNet ayudan a minimizar las reflexiones en la comunicación y son esenciales para el funcionamiento de la red. Los resistores de
terminación (121W, 1%, ¼ W) deben ser colocados en los extremos del bus, entre los hilos CAN_H y CAN_L (blanco y azul).
No coloque el terminador dentro de un equipo o en el conector porque al ser movido también mueve el terminador causando una falla general en la red. Deje los terminadores siempre independientes y aislé los extremos del bus, de preferencia dentro de las cajas protectoras o cajas de paso. Para verificar si los terminadores están presentes en la red, mida la resistencia entre los hilos CAN_H y CAN_L (blanco y azul) con la red desenergizada: la resistencia medida debe estar entre 50 y 60 Ohms.
Figura 23.- Conexión de los resistores de terminación
Derivadores “TAPS” Existen varios tipos de derivadores ―TAPS‖ que pueden ser conectados en una red del tipo DeviceNet. Estos derivadores permiten combinar varios elementos de la red. Se clasifican como:
Derivación en T "T-Port TAP"
El derivador ―T-Port‖ conecta un dispositivo simple o una línea de derivación ―línea caída‖ a través de un conector tipo conexión rápida.
Figura 24.- "T-Port TAP"
Derivación de dispositivo "Device-Port"
―DevicePort‖ son componentes sellados que conectan al ―Bus de la línea‖ vía ―línea caída‖ a través de conectores de desconexión rápida solamente dispositivos compatibles a la red DeviceNet. Existen DevicePort para conectar 4 u 8 dispositivos.
Figura 25.- "Device-Port"
Derivacion tipo box “DeviceBox”
―DeviceBox‖ son elementos pasivos que se conectan directamente a los dispositivos DeviceNet en ―Trunk Line‖ a través de conexiones de terminales para hasta 8 nodos. Ellos poseen tapa removible sellada que permite montaje sobre la máquina o fábrica.
Figura 26.- “DeviceBox”
Derivación de Alimentación “PowerTap”
El ―PowerTap‖ posee protección de sobre corriente para el cable tipo ―thick‖ (grueso). Con protección de diodo y es posible utilizar varios ―PowerTaps‖ permitiendo así mismo el uso de varias fuentes de alimentación.
Figura 27.- “PowerTap”
Aunque un producto DeviceNet no necesite tener indicadores, si este producto posee indicadores, deben cumplir con las Especificaciones de DeviceNet. Es recomendado un Indicador de Estado del Módulo ―Estado del Módulo‖ y un Indicador de Estado de la Red ―Estado de la Red‖, o una combinación de los ambos es recomendable. El(s) indicador(s) consiste en un Led bicolor (verde/rojo) que puede tener combinaciones de On/Off y señales de parpadeo. El Led de Estado del Módulo ―Module Status‖ indica si el dispositivo tiene alimentación y está
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operando adecuadamente. El Led de Estado de la Rede ―Network Status‖ indica el estado del enlace de comunicación.
Figura 28.- Ejemplo de conexión de red DeviceNet
Fundamentos de PROFIBUS
Profibus es un estándar de comunicaciones para bus de campo. Deriva de las palabras PROcess FIeld BUS. Fue un proyecto desarrollado entre los años 19871990 por las empresas alemanas Bosch, Klöckner Möller y Siemens, y por otras como ABB, AEG, Honeywell, Landis & Gyr, Phoenix Contact, Rheinmetall, RMP, Sauter-cumulus y Schleicher. En 1989 la norma alemana DIN19245 adoptó el estándar Profibus, partes 1 y 2 (la parte 3, Profibus-DP no fue definida hasta 1993). Profibus fue confirmada como norma europea en 1996 como EN50170.
Versiones Profibus tiene tres versiones o variantes (de la más simple a la más compleja):  Profibus DP (Periferia Descentralizada; Descentralised Peripherals), desarrollada en 1993, es la más extendida. Está orientada a control a nivel sensor/actuador.  Profibus FMS, diseñada para control a nivel de célula. Si bien fue la primera versión de Profibus, es una versión prácticamente obsoleta.  Profibus PA, es la solución integrada para control a nivel de proceso.
Figura 28.- Pirámide CIM con las versiones del PROFIBUS
Figura 29.- Uso común de las versiones del PROFIBUS
Conexiones físicas Profibus tiene, conforme al estándar, cinco diferentes tecnologías de transmisión, que son identificadas como:
RS-485. Utiliza un par de cobre trenzado apantallado, y permite velocidades entre 9.6 kbps y 12 Mbps. Hasta 32 estaciones, o más si se utilizan repetidores. MBP. Manchester Coding y Bus Powered, es transmisión sincrónica con una velocidad fija de 31.25 Kbps.
RS-485 IS. Las versiones IS son intrínsecamente seguras, utilizadas en zonas peligrosas (explosivas). MBP IS
Figura 30.- Conectores RS-485 PROFIBUS 
Fibra óptica. Incluye versiones de fibra de vidrio multimodo y monomodo, fibra plástica y fibra HCS.
Figura 31.- Cable de F.O. PROFIBUS
Comunicaciones Desde el punto de vista del control de las comunicaciones, el protocolo Profibus es maestro esclavo, pero permite:
Aplicaciones mono maestro. Un sólo maestro está activo en el bus, usualmente un PLC Los demás dispositivos son esclavos. Este esquema es el que permite los ciclos de lectura más cortos Aplicaciones multimaestro. Permite más de un maestro. Pueden ser aplicaciones de sistemas independientes, en que cada maestro tenga sus propios esclavos. U otro tipo de configuraciones con dispositivos de diagnóstico y otros.
En un ambiente multimaestro, puede haber dos tipos de maestros:
DPM1. DP Master Class 1. Es un controlador central que intercambia información con sus esclavos en forma cíclica. Típicamente un PLC. DPM2. DP Master Class 2. Son estaciones de operación, configuración o ingeniería. Tienen acceso activo al bus, pero su conexión no es necesariamente permanente
Características:      Velocidades de transmisión: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5, 500, 1500, 3000, 6000 y 12000 Kbps. Número máximo de estaciones: 127 (32 sin utilizar repetidores). Distancias máximas alcanzables (cable de 0.22 mm de diámetro): Hasta 93.75 KBaudios: 1200 metros 187.5 KBaudios: 600 metros 500 KBaudios: 200 metros  Estaciones pueden ser activas (maestros) o pasivas (esclavos).  Conexiones de tipo bidireccionales, multicast o broadcast.
Detalles sobre Profibus DP Puesto que Profibus DP es la versión más extendida, conviene detallar más a fondo sus características. Está actualmente disponible en tres versiones:
DP-V0. Provee las funcionalidades básicas incluyendo transferencia cíclica de datos, diagnóstico de estaciones, módulos y canales, y soporte de interrupciones DP-V1. Agrega comunicación acíclica de datos, orientada a transferencia de parámetros, operación y visualización DP-V2. Permite comunicaciones entre esclavos. Está orientada a tecnología de drives, permitiendo alta velocidad para sincronización entre ejes en aplicaciones complejas
Terminadores de bus La instalación de un cableado para una red Profibus DP requiere de un terminador en cada extremo del bus. Según la norma este terminador debe ser activo. Esto es, no basta una resistencia terminal, sino que se trata de un arreglo de resistencias que están energizadas. El objetivo de estos terminadores es garantizar un voltaje de referencia en estado inactivo del bus, es decir, sin mensajes, y minimizar las reflexiones de línea. Generalmente uno de los extremos de la red es el maestro Profibus DP, y en ese caso proporcionará uno de los terminadores activos. El otro extremo del bus tiene dos alternativas. Que el terminador activo sea provisto por el último nodo de la red, o que sea provisto por un terminador externo. La primera opción es muy simple, pero tiene el inconveniente de que si se requiere
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desenergizar el nodo, se perderá la función del terminador activo, comprometiendo con ello la integridad de toda la red. Por ello, puede ser preferible tener la resistencia activa en forma separada, de tal modo de mantenerla siempre energizada, generalmente desde una UPS. En el caso de Profibus PA los terminadores de bus son pasivos, es decir, sólo resistencia.
Figura 32.- Ejemplo de conexión de red PROFIBUS
¿Cuándo se utiliza PROFIBUS-FMS/DP/PA?
Sistemas de supervisión de control y adquisición de datos (SCADA).
El alumno implementará un sistema de adquisición de datos mediante buses de campo para supervisar y controlar un proceso productivo.
Conceptos básicos del sistema SCADA Los sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) son aplicaciones de software, diseñadas con la finalidad de controlar y supervisar procesos a distancia. Se basan en la adquisición de datos de los procesos remotos. Se trata de una aplicación de software, especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde una computadora. Además, envía la información generada en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como hacia otros supervisores dentro de la empresa, es decir, que permite la participación de otras áreas como por ejemplo: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc. Cada uno de los ítems de SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de datos) involucran muchos subsistemas, por ejemplo, la adquisición de los datos puede estar a cargo de un PLC (Controlador Lógico Programable) el cual toma las señales y las envía a las estaciones remotas usando un protocolo determinado, otra forma podría ser que una computadora realice la adquisición vía un hardware especializado y luego esa información la transmita hacia un equipo de radio vía su puerto serial, y así existen muchas otras alternativas. Las tareas de Supervisión y Control generalmente están más relacionadas con el software SCADA, en él, el operador puede visualizar en la pantalla del computador de cada una de las estaciones remotas que conforman el sistema, los estados de ésta, las situaciones de alarma y tomar acciones físicas sobre algún equipo lejano, la comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos. Estos sistemas actúan sobre los dispositivos instalados en la planta, como son los
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controladores, autómatas, sensores, actuadores, registradores, etc. Además permiten controlar el proceso desde una estación remota, para ello el software brinda una interfaz gráfica que muestra el comportamiento del proceso en tiempo real. Generalmente se vincula el software al uso de una computadora o de un PLC, la acción de control es realizada por los controladores de campo, pero la comunicación del sistema con el operador es necesariamente vía computadora. Sin embargo el operador puede gobernar el proceso en un momento dado si es necesario. Un software SCADA debe ser capaz de ofrecer al sistema: Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. Generación de datos históricos de las señale de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones. Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador.
Existen diversos tipos de sistemas SCADA dependiendo del fabricante y sobre todo de la finalidad con que se va a hacer uso del sistema, por ello antes de decidir cuál es el más adecuado hay que tener presente si cumple o no ciertos requisitos básicos:  Todo sistema debe tener arquitectura abierta, es decir, debe permitir su crecimiento y expansión, así como deben poder adecuarse a las necesidades futuras del proceso y de la planta.  La programación e instalación no debe presentar mayor dificultad, debe contar con interfaces gráficas que muestren un esquema básico y real del proceso.  Deben permitir la adquisición de datos de todo equipo, así como la comunicación a nivel interno y externo (redes locales y de gestión).  Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables para el usuario.
Funciones principales del sistema  Supervisión remota de instalaciones y equipos: Permite al operador conocer el estado de desempeño de las instalaciones y los equipos alojados en la planta, lo que permite dirigir las tareas de mantenimiento y estadística de fallas.  Control remoto de instalaciones y equipos: Mediante el sistema se puede activar o desactivar los equipos remotamente (por ejemplo abrir válvulas, activar interruptores, prender motores, etc.), de manera automática y también manual. Además es posible ajustar parámetros, valores de referencia, algoritmos de control, etc.  Procesamiento de datos: El conjunto de datos adquiridos conforman la información que alimenta el sistema, esta información es procesada, analizada, y comparada con datos anteriores, y con datos de otros puntos de referencia, dando como resultado una información confiable y veraz.  Visualización gráfica dinámica: El sistema es capaz de brindar imágenes en movimiento que representen el comportamiento del proceso, dándole al operador la impresión de estar presente dentro de una planta real. Estos gráficos también pueden corresponder a curvas de las señales analizadas en el tiempo.  Generación de reportes: El sistema permite generar informes con datos estadísticos del proceso en un tiempo determinado por el operador.  Representación se señales de alarma: A través de las señales de alarma se logra alertar al operador frente a una falla o la presencia de una condición perjudicial o fuera de lo aceptable. Estas señales pueden ser tanto visuales como sonoras.  Almacenamiento de información histórica: Se cuenta con la opción de almacenar los datos adquiridos, esta información puede analizarse posteriormente, el tiempo de almacenamiento dependerá del operador o del autor del programa.  Programación de eventos: Esta referido a la posibilidad de programar subprogramas que brinden automáticamente reportes, estadísticas, gráfica de curvas, activación de tareas automáticas, etc.
Transmisión de la información Los sistemas SCADA necesitan comunicarse vía red, puertos GPIB, telefónica o satélite, es necesario contar con computadoras remotas que realicen el envió de datos hacia una computadora central, esta a su vez será parte de un centro de control y gestión de información. Para realizar el intercambio de datos entre los dispositivos de campo y la estación central de control y gestión, se requiere un medio de comunicación, existen diversos medios que pueden ser cableados (cable coaxial, fibra óptica, cable telefónico) o no cableados (microondas, ondas de radio, comunicación satelital). Cada fabricante de equipos para sistemas SCADA emplean diferentes protocolos de comunicación y no existe un estándar para la estructura de los mensajes, sin embargo existen estándares internacionales que regulan el diseño de las interfaces de comunicación entre los equipos del sistema SCADA y equipos de transmisión de datos. Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas y procedimientos que permite a las unidades remotas y central, el intercambio de información. Los sistemas SCADA hacen uso de los protocolos de las redes industriales. La comunicación entre los dispositivos generalmente se realiza utilizando dos medios físicos: cable tendido, en la forma de fibra óptica o cable eléctrico, o radio. En cualquiera de los casos se requiere un MODEM, el cual modula y demodula la señal. Algunos sistemas grandes usan una combinación de radio y líneas telefónicas para su comunicación. Debido a que la información que se transmite sobre un sistema SCADA debería ser pequeña generalmente la velocidad de transmisión de los modem suele ser pequeño. Muchas veces 300bps (bits de información por segundo) es suficiente. Pocos sistemas SCADA, excepto en aplicaciones eléctricas, suelen sobrepasar los 2400 bps, esto permite que se pueda usar las líneas telefónicas convencionales, al no superar el ancho de banda físico del cable. Comunicaciones En una comunicación deben existir tres elementos necesariamente:  Un medio de transmisión, sobre el cual se envían los mensajes  Un equipo emisor que puede ser el MTU  Un equipo receptor que se puede asociar a los RTU´s. En telecomunicaciones, el MTU y el RTU son también llamados Equipos terminales de datos (DTE, Data Terminal Equipments). Cada uno de ellos
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tiene la habilidad de generar una señal que contiene la información a ser enviada. Asimismo, tienen la habilidad para descifrar la señal recibida y extraer la información, pero carecen de una interfaz con el medio de comunicación. La figura siguiente muestra la conexión de los equipos con las interfaces para el medio de comunicación. Los módems, llamados también Equipo de Comunicación de Datos (DCE, Data Communication Equipment), son capaces de recibir la información de los DTE´s, hacer los cambios necesarios en la forma de la información, y enviarla por el medio de comunicación hacia el otro DCE, el cual recibe la información y la vuelve a transformar para que pueda ser leído por el DTE.
Figura 33.- Esquema de conexión de equipos e interfaces de comunicación
Elementos del sistema Un sistema SCADA está conformado por: Interfaz Operador Máquinas: Es el entorno visual que brinda el sistema para que el operador se adapte al proceso desarrollado por la planta. Permite la interacción del ser humano con los medios tecnológicos implementados. Unidad Central (MTU): Conocido como Unidad Maestra. Ejecuta las acciones de mando (programadas) en base a los valores actuales de las variables medidas. La programación se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (como C, Basic, etc.). También se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. Unidad Remota (RTU): Lo constituye todo elemento que envía algún tipo de información a la unidad central. Es parte del proceso productivo y necesariamente se encuentra ubicada en la planta. Sistema de Comunicaciones: Se encarga de la transferencia de información del punto donde se realizan las operaciones, hasta el punto
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donde se supervisa y controla el proceso. Lo conforman los transmisores, receptores y medios de comunicación. Transductores: Son los elementos que permiten la conversión de una señal física en una señal eléctrica (y viceversa). Su calibración es muy importante para que no haya problema con la confusión de valores de los datos.
Figura 34.- Esquema de los elementos de un sistema Scada
En la siguiente figura se observa un esquema referente a las conexiones del MTU y el operador, y del RTU con los dispositivos de campo (sensores, actuadores).
Figura 35.- Esquema del conexionado para el MTU y el RTU
La RTU es un sistema que cuenta con un microprocesador e interfaces de entrada y salida tanto analógicas como digitales que permiten tomar la información del proceso provista por los dispositivos de instrumentación y control en una localidad remota y, utilizando técnicas de transmisión de datos, enviarla al sistema central. Un sistema puede contener varios RTUs; siendo capaz de captar un mensaje direccionado hacia él, decodificando lo actuando, respondiendo si es necesario, y esperar por un nuevo mensaje.
La MTU, bajo un software de control, permite la adquisición de la data a través de todas las RTUs ubicadas remotamente y brinda la capacidad de ejecutar comandos de control remoto cuando es requerido por el operador. Normalmente el MTU cuenta con equipos auxiliares como impresoras y memorias de almacenamiento, las cuales son también parte del conjunto MTU. En muchos casos el MTU debe enviar información a otros sistemas o computadoras. Estas conexiones pueden ser directas y dedicadas o en la forma de una red LAN. La conexión entre el RTU y los dispositivos de Campo es muchas veces realizados vía conductor eléctrico. Usualmente, el RTU provee la potencia para los actuadores y sensores, y algunas veces éstos vienen con un equipo de soporte ante falla en la alimentación de energía (UPS, uninterruptible power supply). La data adquirida por la MTU se presenta a través de una interfaz gráfica en forma comprensible y utilizable, y más aún esta información puede ser impresa en un reporte.
Figura 36.- Esquema de conexiones de los elementos de un sistema Scada
Figura 37.- Esquema de conexiones de la RTU
Período de Escaneo Uno de los aspectos importantes que debe ser considerado es el tiempo de escaneo de los RTU´s por el MTU, que se define como el tiempo que demora el MTU en realizar una comunicación con cada uno y todos los RTU´s del sistema. Uno de los factores que determina el tiempo de escaneo es el número de RTU´s, en general a mayor número de RTU´s mayor el tiempo de escaneo. Un segundo factor a ser considerado es la cantidad de datos a ser transmitido el cual puede variar entre un par de estados a cientos de estados lo cual incrementa el tiempo de escaneo. Otro factor importante es el número de bits por segundo que puede soportar el medio de transmisión el cual determina el material del medio y el tipo de modulación. Así como el MTU busca y encuentra cada RTU, el RTU busca y encuentra cada sensor y actuador a los cuales está conectado. Esta búsqueda se realiza a mucha mayor velocidad del MTU hacia los RTU.
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Dispositivos de Campo y Cableado Los dispositivos de campo con los que se dispone en un sistema SCADA son de diversos tipos y en cada uno de ellos existen parámetros de selección, desde el rango de trabajo, precisión, dimensiones, precio, etc., los cuales hacen que cada sistema sea un caso particular aunque todos ellos tienen siempre características comunes. Un detalle que a veces no se toma en cuenta es que los sensores actuadores y el cableado entre ellos también cuestan, generalmente cuestan tres o cuatro veces más que el RTU mismo, UPS, y equipos de comunicaciones para un lugar determinado. Otro punto importante es que un sensor cuya lectura puede ser leída directamente por el operador humano, generalmente cuesta menos que un sensor cuya lectura debe ser leído por un RTU, esto es sencillamente por el sistema de acondicionamiento que debe ser usado. Aún más, un costo adicional debe ser incorporado por el cableado de los equipos hacia el RTU. Alambre de cobre es usado generalmente, porque las señales son generalmente de bajo voltaje. En muchas aplicaciones, un blindaje debe ser adicionado sobre el hilo de cobre para prevenir interferencia electromagnética o ruido sobre la señal. Esto generalmente se manifiesta como un recubrimiento de PVC flexible sobre los conductores. Un corte de un cable típico se observa en la figura siguiente:
Figura 38.- Corte transversal de un cable
Generalmente los dispositivos de campo no suelen tener borneras suficientes
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como para poder realizar todos los empalmes necesarios para el funcionamiento del sistema, deben utilizarse cajas de paso o cajas terminales donde se pueden realizar las uniones de los puntos que se desean empalmar. Muchas veces los cables deben llegar al RTU y salir de él, en ese caso siempre se tiene un tablero de conexiones cerca al equipo que puede incluir pequeños elementos de mando y supervisión como displays, pulsadores, leds indicadores e inclusive albergar otros dispositivos como fuentes y dispositivos de protección y control auxiliar. Todos estos dispositivos deben estar debidamente documentados. Esto se realiza mediante planos y manuales de instrucciones. Además todas las licencias, software y protocolos de operación deben ser adjuntados. El costo de los trabajos de ingeniería puede llegar a representar el 50% del costo total del proyecto a diferencia de proyectos no automatizados donde puede llegar a 10% o 15%. Los requerimientos de mantenimiento para un sistema SCADA no son muy diferentes de los requerimientos de mantenimiento de otra alta tecnología de sistemas de control. Los equipos de comunicación, modems, radio y drivers de protocolo no son la excepción. Calibración, validación, y servicio de éstos equipos requieren equipo especial y entrenamiento de personal calificado. Este tipo de servicio suele ser muy especializado y uno debe prever este tipo de gastos de mantenimiento. Los sensores y actuadores generalmente tienen un comportamiento en donde su eficiencia va disminuyendo con respecto al tiempo debido a efectos de desgaste y condiciones ambientales. El ingeniero debe prever la posibilidad de un control manual en caso de reemplazo del equipo para no interferir con el sistema. En conclusión el mantenimiento de ésta clase de sistemas suele depender de la magnitud del proyecto pero en general se debe brindar un mantenimiento general regular una o dos veces al año mínimo, donde se verifiquen los parámetros de calibración, se realicen pruebas dinámicas y estáticas a los equipos y se observe el estado físico de los mismos.
Software Scada A continuación se muestra una lista de algunos software SCADA y su fabricante: o Aimax o CUBE Desin Instruments S. A. Orsi España S. A.
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FIX Intellution. Lookout National Instruments. Monitor Pro Schneider Electric. Scada InTouch LOGITEK. SYSMAC SCS Omron. Scatt Graph 5000 ABB. WinCC Siemens. Coros LS-B/Win Siemens. CIRNET CIRCUTOR S.A. FIXDMACS Omron-Intellution. RS-VIEW32 Rockwell GENESIS32 Iconics
Realizar las prácticas guiadas por el catedrático
IV. Sistemas de Visión
El alumno implementará sistemas de visión para el control y supervisión de procesos productivos.
Los sensores proporcionan información sobre un entorno, que se puede usar para guiar ciertas acciones. La visión es un sentido muy importante porque puede dar información de una resolución relativamente alta a distancias relativamente grandes. Se han desarrollado muchos tipos de sistemas de visión, los cuales entran en uso práctico cada vez con más frecuencia. Los sistemas de visión para máquinas comenzaron a aparecer en el decenio iniciado en 1950, asociados con aplicaciones no robóticas, como lectura de documentos, conteo de especímenes biológicos en la sangre, y reconocimiento aerofotográfico de aplicación militar. En el campo propiamente robótico el desarrolló comenzó a mediados del decenio iniciado en 1960, con el establecimiento de laboratorios de inteligencia artificial en instituciones como el MIT, la U. de Stanford y el Stanford Research Institute. Para 1980 muchas compañías estaban desarrollando sistemas de visión para robots y para otras aplicaciones industriales.
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¿Qué es la Visión Artificial (VA)? Tiene por objetivo interpretar escenas del mundo real de forma automática extrayendo y analizando información de imágenes digitales, para emular así a la visión humana.
Escena de tráfico: Número de vehículos Clases de vehículos Localización de obstáculos Interpretación de la escena
Figura 39.- Escena de trafico
Aspectos a resolver para crear un SVA: • ¿Cuál es la información relevante a extraer de la escena para el problema a resolver? • ¿Cómo se puede extraer dicha información? • ¿Cómo se puede extraer dicha información? • ¿Cuál es la forma más apropiada de representar la información extraída? • ¿Cómo se puede usar dicha información para resolver el problema de VA planteado?
¿Por qué un SVA? • La visión juega un rol importantísimo en la percepción humana. • La vista es uno de los sentidos más importantes. La vista es uno de los sentidos más importantes. • Muchos sistemas biológicos dependen de su sistema de visión. • Los ordenadores, cámaras y otros dispositivos son relativamente baratos y sus prestaciones van en aumento. • Existen numerosas aplicaciones de los SVA.
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La VA es multidisciplinar, está relacionada con: • Matemáticas (geometría, estadística, …) • InformáticaInformática • Tratamiento de imágenes • Reconocimiento de patrones • Gráficos por ordenador • Inteligencia artificial • Robótica • ….etc…
La percepción visual humana La similitud de la percepción visual humana y un SVA se puede apreciar en la Figura 40.
Figura 40.- Similitud percepción humana a un SVA.
Figura 41.- Estructura del ojo humano.
Ojo humano y cámara pueden adquirir un detalle similar:
Formación de la imagen en el ojo La luz visible es absorbida (enfocada) por el cristalino, que actúa como lente, y se proyecta en la retina.
Símil con una cámara fotográfica:
Figura 42.- Formación de la imagen en un ojo humano y símil en una cámara fotográfica.
La retina está compuesta por 2 tipos de células fotosensibles (receptores de luz discretos): • Conos: responsables del color, cada uno está conectado a un nervio. Perciben mucho detalle. Están en la parte central de la fóvea principalmente. Participan en mayor medida en la formación de la imagen cuando hay mucha luz. • Bastones: responsables de la percepción de la intensidad (brillo). Están concentrados en el exterior de la fóvea principalmente. Varios bastones se conectan a un mismo nervio. Participan en mayor medida en la visión nocturna. Un ojo posee unos 120 millones de bastones y 6 millones de conos. Posibles deficiencias del Sistema Visual Humano De naturaleza estructural: o Si el ojo es más largo: ojo miope o Si es más corto: ojo hipermétrope o Si el ojo no posee una buena simetría de revolución respecto al eje óptico: astigmatismo
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o Cataratas: opacidad del cristalino que impide la llegada de luz a la retina. Ilusiones ópticas:
Figura 43.- Ilusiones ópticas que afectan la visión humana.
La luz y el espectro electromagnético Teorías sobre la naturaleza de la luz • Teorías antiguas(Euclides, 300 a.C.): se pensaba que la luz es emitida por el ojo. • Teoría corpuscular (Newton, 1669): se consideraba que la luz era materia. • Teoría ondulatoria (Huygens, 1690): se consideraba que la luz era una onda. • Se explican los fenómenos de difracción e interferencia luminosa. • Los trabajos de Young y Fresnel explican la polarización de la luz. • Teoría electromagnética (Maxwell, s. XIX): establece relaciones entre luz y electromagnetismo y define la luz como onda electromagnética. Cada tipo de radiación electromagnética se caracteriza por su longitud de onda λ (λ = c/ν). • Teoría cuántica (Planck, 1900): la radiación electromagnética no se emite en forma continua sino en ―cuantos de energía‖ o fotones de valor E = hν. Se descubre el efecto fotoeléctrico (Einstein, 1905: un haz de luz que incide sobre una superficie metálica limpia hace que emita electrones). • Teoría onda-corpúsculo (de Broglie-Bohr, 1925): la luz tiene a la vez naturaleza de onda electromagnética (cuando viaja) y corpuscular (cuando interacciona con la materia).
Propiedades de las ondas Reflexión Se produce cuando las ondas (luz, sonido,..) inciden sobre una superficie de sonido,..) inciden sobre una superficie de separación entre dos medios, sin pasar de uno a otro. El ángulo entre el rayo incidente y la normal (ángulo de incidencia) es el mismo que el ángulo de reflexión.
Figura 44.- Reflexión de haz de luz
Refracción Se produce cuando la luz incide sobre una superficie de separación entre dos medios, atravesándola. La parte transmitida se desvía formando un ángulo (de refracción) con la normal. El índice de refracción de un material se define como el cociente entre las velocidades de la luz en el vacío (3x108 m/s) y en el material dado. La velocidad de la luz en el vacío es la máxima => el índice de refracción de cualquier medio material es >1.
Figura 45.- Refracción de haz de luz
Dispersión Cuando un haz de luz solar (blanca) pasa a través de un prisma, se descompone en un espectro continuo de colores desde el violeta hasta el rojo.
Figura 46.- Dispersión de haz de luz
Explicación del fenómeno: la luz se descompone en sus componentes monocromáticas al penetrar en un medio debido al cambio en el índice de refracción, que desvía las distintas componentes de la luz según sus respectivas longitudes de onda.
Difracción Fenómeno característico de las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo (p.e. una rendija). La difracción ocurre en todo tipo de ondas (sonoras, ondas en la superficie de un superficie de un fluido, fluido, ondas electromagnéticas como la luz y ondas electromagnéticas como la luz y ondas de radio).
Figura 47.- Difracción de haz de luz
Las ondas electromagnéticas (EM) Son la forma de propagación de la radiación EM a través del espacio. Tienen naturaleza dual ondacorpúsculo: vienen dadas por dos ondas sinusoidales ortogonales que se propagan ó haces de partículas sin masa (fotones o cuantos de energía) que viajan como una onda a la masa (fotones o cuantos de energía) que viajan como una onda a la velocidad de la luz. Son transversales pues las direcciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la de propagación. No necesitan de un medio material para propagarse.
Figura 48.- EM
Su energía E es proporcional a la frecuencia (ν) e inversamente proporcional a la longitud de onda (λ).
Se agrupan en bandas según el intervalo de longitudes de onda (o frecuencia o energía) al que pertenecen formando el espectro EM.
Figura 49.- Longitudes de onda del espectro EM
Las ondas luminosas Una parte pequeña del espectro electromagnético es la zona visible (luz visible) que puede ser percibida por el ojo humano. Comprende longitudes de onda aproximadamente desde los 400 hasta los 700 nm. Las ondas luminosas (luz visible o luz) son ondas electromagnéticas cuya frecuencia está dentro del rango de la luz visible.
Figura 50.- Longitudes de onda del espectro EM y luz visible
Figura 51.- Luz visible por el hombre
El color que percibimos de un objeto viene determinado por la luz que es reflejada por el objeto. Un objeto que refleja luz de todas las zonas del visible por igual, se muestra blanco. Un objeto que refleja más luz de una porción del visible que de otra, absorbiendo el resto de energía de las demás λ se muestra del correspondiente color reflejado.
Imágenes en escala de gris Cada píxel sólo contiene un valor del brillo o intensidad (nivel de gris), no del color. El rango de valores se denomina escala de gris.
Figura 52.- Ejemplo de imágenes en escala de gris
4.2 Dispositivos de formación de imágenes
Generalizando se llaman dispositivos de captura a todos aquellos que nos permiten de una u otra manera introducir información en un sistema. También se les suele llamar dispositivos digitalizadores, ya que convierten cierta información (imagen, sonido, etc.) en información digital. Dentro de los dispositivos de captura para las imágenes existen 3 tipos: 1.- Escáner 2.- Cámaras digitales 3.- Cámaras de video
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Escáneres planos El escáner es el dispositivo de captura de imágenes más tradicional (figura 53), se encarga de convertir una fotografía de un papel, imagen de revista o libro, a información que puede interpretar y manejar un ordenador.
Figura 53.- Escáner plano de escritorio
Sus partes fundamentales son: el cristal sobre el cual se apoya el papel que deseamos digitalizar, una lámpara y un sensor. La lámpara ilumina el papel para que el sensor pueda captar la luz y convertirla en impulsos eléctricos. Estos impulsos eléctricos de diferente intensidad luego son convertidos a números que son transmitidos al ordenador. Como ya dijimos, por cada píxel a capturar, tenemos un sensor verde, otro rojo y otro azul, los cuales entregan la intensidad correspondiente a cada color por los que está compuesto el color a digitalizar. Tradicionalmente, cada sensor era capaz de discernir entre 256 niveles, por lo que entregaba un número de 8 bits (recordemos que = 256). Juntando la información de los 3 sensores, obtenemos entonces los 24 bits que indican el color de un píxel, y si hacemos 224, obtenemos que el rango tonal de cada píxel es de 16,7 millones de colores. Actualmente han surgido los escáneres que emplean 16 bits para cuantificar los niveles de cada sensor, por lo que cada píxel va codificado en 48 bits (16 bits x 3 sensores).
Adaptadores para escanear negativos y diapositivas Algunos escáneres planos incorporan adaptadores (figura 54) que posibilitan que se pueda escanear negativos y diapositivas. El adaptador consiste simplemente en otra lámpara idéntica a la que hay dentro del escáner, pero que puede ser colocada sobre la diapositiva o el negativo, de modo que pueda ser
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iluminada desde atrás para que la luz la atraviese y así llegue al sensor, en vez de rebotar en una fotografía. Cuando se emplea el adaptador para negativos y diapositivas, no se enciende la lámpara normal del escáner, sino la del adaptador (figura 55).
Figura 54.- Adaptador para negativos y diapositivas
Figura 55.- Ubicación de la lámpara
Figura 56.- Máscara sobre el cristal del escáner
Escaneando texto Con los escáneres planos además de escanear fotografías también podemos escanear texto, con lo cual podemos obtener un archivo de texto que podrá ser modificado por programas de procesamiento de textos, como el Microsoft Word, o por el simple y sencillo Bloc de Notas de Windows. En realidad y para ser sinceros, esto no es una capacidad del escáner, sino de un programa denominado OCR (Optical Character Recognition/ Reconocimiento óptico de caracteres) que lo que hace es emplear al escáner para obtener una imagen de alto contraste del texto (en blanco y negro), y luego analizándola, entregarnos el texto correspondiente. Por lo tanto en este caso, el escáner hace su función de siempre, que es escanear lo que hay puesto en el cristal y entregar el conjunto de píxeles que forma el mapa de bits en blanco y negro que luego analizará el programa de OCR, para buscar formas y convertirlas en letras.
Escáneres de película (negativos y diapositivas) Que un escáner plano pueda escanear negativos y diapositivas es una función adicional que casi siempre incrementa su precio, pero no por ello es el dispositivo ideal para llevar a cabo dicha tarea. Esto se debe a que los escáneres planos tienen resoluciones "normales" que permiten escanear grandes superficies (nos referimos a tamaños A4 u oficio), pero cuando se trata de escanear una diapositiva, todos sabemos que su tamaño es muy pequeño (de 24 x 36 mm) y entonces para obtener una buena calidad de imagen debemos usar el escáner a su máxima potencia, es decir a las resoluciones más elevadas. Pero esto no siempre es suficiente y por ello los resultados no son óptimos. Para cubrir estas necesidades existen los escáneres de película (figura 57), los cuales tienen resoluciones de trabajo impresionantes de hasta 4000 dpi; pero por el contrario, sólo pueden escanear negativos y diapositivas, descartando por completo la posibilidad de fotografías en papel de hasta 30 x 20 cm, o libros y revistas. Además, la calidad obtenida por estos dispositivos se ve mejorada notablemente ya que disponen de elementos de hardware especiales que son capaces de eliminar desde el mismo momento del escaneado los rayones, raspaduras y polvo que se acumulan sobre las diapositivas y negativos. Esto se logra iluminando el negativo desde diferentes ángulos, obteniendo varios resultados por cada píxel y luego analizando y comparando las imágenes obtenidas para comprobar si hay algún tipo de variación entre las imágenes obtenidas y la información supuestamente real, con todo esto se evita muchísimo trabajo de retoque, que podría llegar a ser muy duro.
Figura 57.- Escáner de películas
También disponen de software especial que escaneando varias veces el mismo negativo o diapositiva (de 4 a 16 veces, según la calidad que deseamos obtener) son capaces luego de procesar la diapositiva o negativo para encontrar los tonos reales, obteniendo sobre todo negros más plenos donde los hubiera, que es lo
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más difícil de lograr ya que el negro implica la ausencia de luz, con esto se evita el ruido que provoca que en el resultado final aparezcan negros ―sucios‖. Como aditamento interesante, disponen de sistemas de carga motorizados, lo que permite el procesado de muchas diapositivas en menos tiempo, o directamente tiras de películas de muchos fotogramas o hasta carretes completos sin cortar. Esto se debe a que por su coste, generalmente se emplean en ámbitos profesionales en los cuales la velocidad o sencillez son un punto importante y un sistema de carga automático y motorizado permite que trabajen durante horas sin tener que prestarles atención.
Cámaras digitales Por fin llegamos al tema que nos compete, las cámaras digitales. Estos dispositivos son muy versátiles y de alta calidad ya que capturan la ―imagen real‖ sin tener que pasar por películas, procesos químicos, y escaneados, los cuales van introduciendo errores e impurezas, no siendo muy fieles los resultados obtenidos con respecto al original.
Figura 58.- Canon
Una cámara digital presenta la virtud de que capta directamente ―el objeto o paisaje original‖ por lo que sencillamente se obtienen los mejores resultados al no existir procesos intermedios. La luz proveniente del objeto o paisaje original va directamente al sensor, pasando únicamente por las lentes del objetivo, y casi podemos decir que una vez alcanzado el sensor, la imagen ya está dentro del ordenador, pues los pasos siguientes hasta llegar a visualizarse por el monitor son una simple transmisión de números (que digitalmente está garantizada y verificada, o sea que no puede haber errores, y de haberlos, se corrigen automáticamente) y por ello no se alterará por más pasos intermedios que se deban dar. .
Figura 59.- Fujifilm FinePix
El principio de funcionamiento de una cámara digital es idéntico al de una cámara normal de película: consta de un objetivo compuesto por varias lentes que se encarga de dirigir la luz proveniente del objeto o paisaje a una zona en la que se pone un elemento de captura. En las cámaras tradicionales, en esa zona de captura hay una película sensible a la luz (dentro de un recinto oscuro), mientras que en las digitales hay un sensor electrónico. El sensor electrónico transforma la luz que le llega en números, que son almacenados en una memoria, y que permanecen allí hasta que el usuario decide qué hacer con ellos. Pude revisarlos con la propia cámara (si ésta lo permite), eliminarlos, o transferirlos a una impresora u ordenador para su posterior procesamiento. Por ello, para lograr imágenes digitales de buena calidad, las primeras etapas son muy importantes, y entonces nos referimos a la calidad de las lentes, y a la calidad del sensor. El resto de la cámara digital hará que podamos manipular in situ con mayor o menor facilidad las fotos que obtengamos, podamos sacar más o menos fotos, podamos grabar algún vídeo, o podamos ver o imprimir las fotografías sin la necesidad de recurrir a un ordenador.
Figura 60.- Logitech
Teléfonos móviles con cámara Gracias a su popularidad, la fotografía digital se ha extendido hasta los teléfonos móviles (figura 61), pudiendo hoy en día encontrarse en el mercado este tipo de dispositivos que incorporan una cámara digital. Por lo general, la calidad de estas cámaras no es muy elevada, y están limitadas principalmente en cuanto a la resolución y al tipo de ópticas que emplean, que suelen ser de plástico o vidrio, en vez de ser de cristal. La limitación en cuanto a resolución también se debe a que como la finalidad es transmitir la fotografía obtenida a través de una llamada telefónica, se debe evitar efectuar comunicaciones muy prolongadas, ya que el coste de dichas llamadas desde teléfonos móviles podría llegar a ser muy elevada y se convertiría en una posibilidad que dejaría de ser atractiva para los consumidores.
Figura 61.- Móvil con cámara digital
Hay que tener en cuenta al adquirir un teléfono móvil con cámara digital que no estamos comprando una cámara digital de calidad, sino que será un teléfono móvil con prestaciones adicionales. Si deseamos dedicarnos a la fotografía digital (aunque sea como amateurs) deberemos pensar seriamente en adquirir una cámara digital real y descartar realizar nuestras fotos con teléfonos móviles (hasta que mejoren la calidad, cosa que no tardará mucho tiempo al ritmo que vamos).
Cámaras de vídeo Además de las cámaras de fotografía digitales, existen cámaras de vídeo digitales (figura 62) que permiten la captura de horas de movimiento de forma digital que luego pueden transmitir a un ordenador para su posterior utilización en este medio (las más modernas graban directamente en DVD‘s de 8cm de diámetro). Como la tecnología de una cámara de vídeo digital es similar a la de una cámara de fotos digital, las cámaras de fotos digitales incorporan la posibilidad de grabar vídeo. Las pegas que existen en cuanto a captura de vídeo por las cámaras de fotos digitales son la capacidad de almacenamiento reducida que tienen, o la velocidad del sensor para transmitir la información captada al medio de almacenamiento, por lo que hay que fijarse muy bien en estos puntos al decidir la compra. Hay cámaras digitales que limitan el tiempo al espacio de almacenamiento disponible, y otras que dan límites, por ejemplo: no más de tres minutos consecutivos, a pesar de que haya espacio de almacenamiento como para 30 minutos. Ya sabemos que el marketing se encarga no de mentir, pero sí de indicar la parte bonita del asunto y puede hacernos comprar gato por liebre. En el caso de los vídeos, también la resolución a la que capturamos juega de manera decisiva, ya que a resoluciones más elevadas, obtendremos vídeos más pesados, y podremos efectuar menos tiempo de filmación.
Figura 62.- Sony DV
Webcams Se denominan webcams (figura 63) a los dispositivos de captura digital de vídeo de gama baja, que suelen estar destinados a las videoconferencias a través de Internet. Cuando se hace una videoconferencia, es necesario transmitir vídeo en tiempo real y para lograrlo las imágenes no deben ser muy pesadas, es decir, de baja resolución, por lo que las webcams no ofrecen mucha calidad. Por ello son pequeñas y económicas.
Figura 63.- Webcam tradicional
Figura 64.- Webcam + cámara de fotos
Además de la prestación de videoconferencia para la cual fueron diseñadas, muchas ofrecen la posibilidad de tomar fotografías digitales, e incluso otras permiten que les pongamos baterías y las llevemos con nosotros como si de una cámara digital se tratara (figura 64). Al momento de decidir su compra, debemos fijarnos bien en qué características tienen y ver qué resoluciones ofrecen, pues puede ser conveniente económicamente en vez de adquirir un único dispositivo que haga todo (y tal vez a medias), pensar en comprar dos dispositivos, una webcam adecuada para hacer videoconferencias y que no sea cámara digital, y una cámara digital que haga excelentes fotos, pero no pueda utilizarse como webcam.
4.3 Aplicación de los sistemas de visión
Aplicaciones de los SVA Sistemas de inspección visual automática Aplicaciones médicas
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Reconocimiento biométrico Análisis de terrenos (remote sensing images) Robótica Videovigilancia / Aplicaciones militares Recuperación de imágenes por contenido Domótica Análisis de documentos, etc…
Clasificación de imágenes Los humanos estamos limitados a la banda de luz visible del EM, pero pueden generarse imágenes: – En todo el rango del espectro EM – Utilizando otros tipos de energía no EM (acústica, ultrasonidos, haces de electrones, etc...)ultrasonidos, haces de electrones, etc...) – Utilizando varios sensores a la vez – Utilizando sensores activos (que interfieren en la escena p.e. emitiendo luz o sonido sobre ella) – Etc.
Imágenes en la banda de rayos Gamma γ Aplicaciones: Medicina nuclear, observaciones astronómicas, reactores nucleares, etc… que usan la radiación de los objetos capturados. Medicina nuclear: existen varias modalidades: • 1ª: se inyecta a un paciente un isótopo radiactivo que emite rayos γ hasta que se desintegra. Los detectores de emite rayos γ hasta que se desintegra. Los detectores de rayos γ colectan las emisiones y se generan las imágenes. Se aplica en patologías de huesos, p.e. infecciones o tumores. • 2ª: en la Tomografía Emisión Positrón (PET) se da al paciente un isótopo radiactivo que emite positrones a medida que se desintegra. Cuando el positrón encuentra un electrón ambos se aniquilan generando 2 rayos γ que son detectados creándose una imagen tomográfica. Las tomografías pueden considerarse imágenes de densidad.
Figura 65.- Bone Scan 1ª modalidad
Tomografía de emisión positrón (PET):
Figura 66.- PET
Figura 67.- Cygnus Loop (NASA)
Imágenes en la banda de rayos X Aplicaciones: • Medicina: Radiografías, Imágenes de Tomografía Axial Computerizada (―rodajas‖ del volumen del paciente que permiten la reconstrucción 3D de los tejidos), angiogramas o imágenes de los vasos sanguíneos.
Figura 68.- Ejemplo Rayos X aplicación médica
• Industria: escáneres de los aeropuertos
Figura 69.- Ejemplo Rayos X aplicación industria
Figura 70.- Ejemplo Rayos X aplicación astronomía
Imágenes en la banda de rayos ultravioleta Aplicaciones: astronomía, microscopía, imagen biológica, inspección industrial, estudio de documentos falsificados (la luz ultravioleta detecta los rastros de escritura borrada), etc… Métodos: – Mediante fotografías de forma que el objetivo de la cámara esté provisto de un filtro que permita únicamente el paso de luz UV e provisto de un filtro que permita únicamente el paso de luz UV e iluminando el objeto con este tipo de luz. – Usando el fenómeno fluorescencia causado por la luz UV: cuando un fotón de luz UV colisiona con un electrón de material fluorescente, se eleva el electrón a un nivel superior de energía y posteriormente el electrón excitado se relaja a un nivel inferior y emite luz en forma de fotón con una energía en la región visible. • Ej: el microscopio fluorescente usa luz UV de excitación que irradia una muestra, y separa esta luz de la radiación fluorescente débil (emitida por el objeto) y solo esta última alcanza el ojo del detector. Como resultado, las áreas fluorescentes brillarán a diferencia del fondo oscuro.
Figura 71.- Imágenes tomadas por el Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), con el Extreme Ultraviolet Imaging Telescope (EIT). En ellas se aprecia la variación en la actividad de las manchas solares en la superficie del Sol, vistas en luz en ultravioleta. Fotos: Earth Observatory.
Imágenes en la banda de luz visible En visión artificial es la banda del espectro más utilizada. Aplicaciones: • Inspección industrial: detección de defectos o de ausencia de componentes • Biometría: huellas dactilares, caras, iris, etc…para identificar o reconocer personas • Fuerzas de seguridad: lector de matrículas de vehículos • Otras: reconocimiento de caracteres, lectores de códigos de barras, etc…
Figura 72.- Imágenes con luz visible
Imágenes en la banda de luz infrarroja • En las imágenes creadas con luz infrarroja los diferentes colores representan diferentes temperaturas. • Todos los objetos presentan algo de 38 • Todos los objetos presentan algo de calor e irradian luz infrarroja aunque sean muy fríos (incluso un cubo de hielo). • Los objetos más calientes brillan más en el infrarrojo, porque irradian más calor y por tanto más luz infrarroja que los objetos fríos.
Figura 73 a.- Imágenes con luz infrarroja
Figura 73 b.- Imágenes con luz infrarroja
Figura 73 c.- Imágenes con luz infrarroja
Figura 73 d.- Imágenes con luz infrarroja
Imágenes multiespectrales que combinan visión infrarroja y visible
Figura 74.- Huracán Katrina. Visible + Infrarroja, permite apreciar el ojo del huracán.
Figura 75.- Imagen Visible + Infrarroja.
Imágenes en la banda de microondas Radar • Emite pulsos de microondas como iluminación en un área, para tomar la imagen. • Atraviesa nubes, vegetación, hielo, Atraviesa nubes, vegetación, hielo, arena… permitiendo fotografiar los niveles de terrenos inaccesibles (selva, polos, aunque estén ocluidos por vegetación ó hielo) • En vez de una lente, usa una antena y aplica procesamiento digital para grabar las imágenes formadas por energía microondas reflejada hacia la antena del radar.
Figura 76.- Polo norte
Imágenes en la banda de ondas de radio Aplicaciones: •Medicina: imágenes de resonancia magnética •Astronomía
Figura 77.- Imágnes MRI
Figura 78.- Crab Pulsar (NASA)
Imágenes basadas en radiaciones EM Cada uno de los diferentes tipos de luz nos da nueva información que podemos obtener usando solamente nuestros ojos. no
Figura 79.- Imágenes del Crab Pulsar (NASA) cubriendo el espectro EM
Imágenes basadas en ultrasonidos
Figura 80.- Ecografías del embarazo
Visión bidimensional El objetivo general de una máquina vidente es derivar una descripción de una escena, analizando una o más imágenes de dicha escena. En algunas situaciones la escena misma es básicamente bidimensional. Por ejemplo si un robot trabaja con piezas planas sobre una superficie plana, o si busca perforaciones en tal superficie. La visión para situaciones bidimensionales es más fácil que para las
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tridimensionales, y, como era natural, los primeros trabajos sobre máquinas videntes se hicieron en esa modalidad. El proceso de visión bidimensional Primero debe distinguir los objetos de interés del resto de la superficie. En otras palabras, debe ser capaz de "destacar" partes de la imagen que corresponden a esos objetos. Este proceso de extraer subconjuntos de una imagen que corresponden a partes relevantes de la escena se denomina SEGMENTACION. Cuando se ha extraído un subconjunto de una imagen, generalmente es necesario medir varias propiedades geométricas de tal subconjunto (tamaño, forma, etc.) tales medidas pueden ser la base para reconocer si el subconjunto representa un objeto dado, así como para determinar la posición y orientación de tal objeto. También pueden servir de base para una posterior segmentación dentro del subconjunto; por ejemplo, si dos objetos se tocan o superponen, puede ocurrir que hayan sido extraídos como un solo subconjunto, y puede ser necesario dividir este subconjunto en dos partes basándose en criterios geométricos, por ejemplo descomponiéndolo en partes convexas. Esta etapa del proceso de visión se denomina ANALISIS GEOMETRICO. Se pueden diseñar diferentes algoritmos para Análisis Geométrico, dependiendo de la manera como estén representados los subconjuntos de imagen dentro del computador, por esto el tema de la REPRESENTACION GEOMETRICA de subconjuntos de la imagen está estrechamente relacionado con el Análisis Geométrico. El reconocer objetos por medio del análisis de subconjuntos de una imagen puede variar mucho en dificultad, dependiendo de la complejidad de los objetos. Si los objetos que pueden estar presentes en la escena difieren mucho entre sí, se puede usar una comparación relativamente sencilla contra patrones o plantillas; en esta situación, puede incluso ser innecesario extraer explícitamente los objetos del resto de la imagen. Más a menudo, los objetos pueden reconocerse porque cumplen un conjunto característico de valores de sus parámetros geométricos. Este método de comparación de rasgos geométricos se usó, por ejemplo en un módulo de visión desarrollado en el SRI International a mediados de los años 70. Si los objetos a reconocer son complejos, puede ser necesario descomponer en etapas el proceso de reconocimiento: Detectar primero subobjetos y reconocer sus propiedades, y luego reconocer los objetos como combinaciones de esos subobjetos en relaciones específicas. Este procedimiento se conoce como el método de COMPARACION DE ESTRUCTURAS. Segmentación Una IMAGEN DIGITAL es una matriz de números que representan valores de iluminación en puntos regularmente espaciados de la imagen de una escena. Los elementos de más bajo nivel de tal imagen se llaman PIXELs (contracción de "Picture Element"), y sus valores se denominan NIVELES DE GRIS. La efectividad
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de una técnica de Segmentación depende de las propiedades de la clase de imágenes a que se aplique. Establecimiento de umbrales Si el brillo de un objeto difiere significativamente del de su entorno, origina en la imagen un conjunto de pixeles con Niveles de Gris muy diferentes de los Niveles de los pixeles circundantes. (A menudo pueden producirse grandes diferencias de brillo entre un objeto y su entorno controlando el ángulo en que incide la luz). Los subconjuntos de imagen con esa característica pueden extraerse de la imagen estableciendo un UMBRAL para los Niveles de Gris, o sea clasificando cada pixel como "claro" u "oscuro" dependiendo de si su Nivel de Gris es inferior o superior al umbral. Si la iluminación de la escena está bajo nuestro control, y podemos también calibrar el sensor, puede ser posible establecer un umbral permanente para segmentar correctamente escenas de determinada clase, pero, en general, será necesario determinar el umbral óptimo para cada imagen individual. Si los objetos ocupan una fracción significativa de la escena, esa determinación se puede hacer analizando el HISTOGRAMA DE LA IMAGEN, el cual es un gráfico que nos muestra la frecuencia con que ocurre en la imagen cada Nivel de Gris. Este histograma debe tener dos picos, uno que representa el Nivel de Gris predominante en el fondo, y otro el predominante en el objeto. Los Niveles intermedios deben ser relativamente infrecuentes, correspondiendo en el histograma a valles entre los picos. Evidentemente, en estos casos un buen Nivel en el cual establecer el Umbral es el más infrecuente entre los Niveles de los dos picos (o sea correspondiente al punto más bajo del valle entre picos), ya que casi todos los pixeles del objeto caen a un lado de tal umbral, y casi todos los pixeles del fondo caen al otro lado. Si la iluminación de la escena no es uniforme, puede suceder que objetos intrínsecamente oscuros a un lado de la escena resulten más brillantes que un fondo intrínsecamente claro en otro lado, de tal manera que los objetos no pueden ser separados del fondo por la simple comparación con un umbral. Una manera de atacar esta situación es dividir la imagen en secciones y escoger un umbral adecuado para cada sección analizando su propio histograma. Posteriormente esos histogramas pueden ser interpolados para obtener un umbral variable que segmente convenientemente la imagen completa. Bases de la visión en color para máquinas El color en un punto de una imagen puede representarse por tres números que representen, por ejemplo, los niveles de las componentes roja, verde y azul. Entonces una Imagen Digital a Color es una matriz de tripletas de valores. Si esos niveles de los pixeles se grafican como puntos de un "espacio cromático", el objeto y el fondo originan cúmulos de puntos. Tales cúmulos son análogos a los picos del histograma y la imagen se puede segmentar en regiones de diferente color
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parcelando el espacio cromático de tal manera que se separen los cúmulos. Este ha sido el método clásico utilizado para segmentar las imágenes obtenidas por los sensores remotos multiespectrales. Detección de bordes Los objetos pequeños no se extraen fácilmente del fondo en que se ven, utilizando el método del umbral, porque los picos que producen en el histograma son demasiado pequeños para detectarlos con confiabilidad. Similarmente, si una escena contiene muchos objetos de diferentes brillos, tampoco es fácil extraerlos por el método del umbral, porque sus picos respectivos en el histograma se superponen. En tales casos se puede utilizar otros métodos para segmentación, con tal de que los objetos posean un brillo relativamente uniforme y que contrasten fuertemente con su inmediato entorno. Esto implica que la variación de nivel de gris ocurre muy gradualmente dentro de cada objeto, y rápidamente en los bordes de objetos. En tal caso los objetos se pueden extraer por Detección de Bordes, o sea detectando los pixeles en los cuales la rata de cambio del Nivel de Gris respecto al espacio es alta. El método clásico de detectar bordes en una imagen es aplicar un operador derivada isotrópico, tal como el Gradiente. Tal operador dará valores altos en los bordes, sin importar sus orientaciones. Para este fin se han utilizado muchas aproximaciones discretas al gradiente, como el operador cruzado de Roberts, y el operador de Sobel usado en los primeros sistemas de visión de Stanford. Otros métodos básicos de detección de bordes incluyen la comparación de la vecindad de cada pixel con patrones o plantillas de Funciones Paso en diferentes orientaciones; si se detecta un buen ajuste, es muy probable que haya un borde en esa orientación. Otro método consiste en ajustar una superficie polinomial a los Niveles de Gris en la vecindad de cada pixel; si el gradiente de la superficie ajustada es alto, es probable que haya un borde. Análisis de textura Si un objeto no presenta un brillo uniforme, sino que muestra cierta "trama", ni el umbral ni la detección de bordes son útiles para extraerlo, ya que sus pixeles no poseen Niveles de Gris en un rango estrecho y presenta muchos "bordes" internos. No obstante, tal objeto puede ser distinguible de su vecindad basándonos en su trama o patrón característico de Niveles de Gris o TEXTURA VISUAL. Las Texturas Visuales se pueden caracterizar por conjuntos de propiedades locales de sus pixeles, o sea por el hecho de que en una región texturada, tienden a presentarse ciertos patrones locales de Niveles de Gris en la vecindad de cada pixel. Cada pixel puede caracterizarse por un conjunto de números calculando para él un conjunto de propiedades relacionadas con la textura, para segmentar la imagen en regiones de texturas diferentes. Este procedimiento tiene cierta
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analogía al tratamiento de imágenes a color que se mencionó antes, pero como las propiedades texturales tienden a ser más variables que los colores, debe obtenerse primero cierto promedio local para hacer más compactos los cúmulos correspondientes a cada región. Similarmente, calculando los valores promedios de las propiedades locales y tomando luego diferencias de esos promedios se puede calcular un "gradiente de textura" en cada pixel y usarlo para detectar bordes entre regiones de diferentes texturas. Un método potente para caracterizar texturas consiste en realizar varios tipos de operaciones de adelgazamiento y expansión de regiones y analizar sus resultados; por ejemplo, las tramas visuales delgadas desaparecen al aplicar un poco de adelgazamiento, mientras las tramas con espaciamientos pequeños se funden al aplicar un poco de expansión. Este método de análisis de imagen ha sido usado en gran variedad de aplicaciones durante unos 20 años. Acreción de regiones Los métodos de segmentación discutidos hasta ahora tratan cada pixel o su vecindad independientemente; no les concierne si los pixeles resultantes constituyen una región conectada o si los segmentos de bordes resultantes constituyen una frontera suave de alto contraste. Se pueden obtener regiones o bordes de mejor calidad condicionando los resultados a que sean localmente consistentes, o sea que las regiones estén conectadas o que los bordes se encadenen suavemente. Para asegurar continuidad se puede utilizar métodos de seguimiento secuencial de los bordes, o acreción de regiones. Un método más poderoso, pero computacionalmente más costoso es buscar consistencia global por partes, o sea buscar regiones que sean óptimas con respecto a la consistencia o suavidad del Nivel de Gris, o bordes que sean óptimos respecto a contraste y a suavidad de la dirección. Un método útil para hallar regiones globalmente consistentes, es un proceso de "dividir y unir", en el cual las regiones se dividen si son inconsistentes, y se unen pares de regiones adyacentes si su unión es consistente. Análisis Geométrico Una vez que en una imagen se ha segmentado una región, esta se puede representar por una imagen binaria, en la cual los pixeles que pertenecen a la región tienen valor 1, y los del fondo tienen valor 0. De esta imagen binaria se pueden calcular varias propiedades geométricas de la región. Este proceso se denomina a veces como VISION BINARIA. Conectividad y bordes Si una escena contiene varios objetos sobre un fondo, la segmentación de su imagen da el conjunto de pixeles pertenecientes a todos los objetos; la segmentación no ha distinguido los objetos entre si. Para trabajar con cada objeto es necesario "etiquetar" o marcar los pixeles de los objetos, de tal manera que los
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que pertenecen a un mismo objeto tengan la misma marca, y viceversa. Este proceso se denomina MARCACION DE COMPONENTES CONECTADOS, y asigna una marca distintiva única a cada conjunto de pixeles que están interconectados. El hecho de estar mutuamente conectados es el principio básico del proceso de contar objetos (o sea regiones internamente conectadas) en una imagen. El borde de una región es el conjunto de pixeles adyacentes a pixeles no pertenecientes a la región. Tales pixeles de frontera caen en un conjunto de curvas, correspondiendo una de ellas al borde externo de la región, y los demás a agujeros, si los hay. Para marcar esos bordes individualmente se puede utilizar un método de Seguimiento de Bordes, que comienza en un pixel del borde y visita sucesivamente todos los pixeles que pertenecen al mismo borde, hasta retornar al pixel inicial. Propiedades de tamaño y forma El área de una región se puede medir aproximadamente en función del número de sus pixeles, o sea el número de pixeles que tienen una marca particular. A su vez, el perímetro es función del número de pixeles del borde externo, o (para un borde específico) el número de movimientos necesarios para dar la vuelta por el borde pixel por pixel. Un parámetro geométrico usado frecuentemente y que mide lo compacto de una región es: C= Area/(perímetro)2. La elongación de una región se puede definir usando un proceso de adelgazamiento y medición de área; una región es elongada si aunque tenga gran área desaparece al aplicarle un ligero adelgazamiento. Las medidas de distancia son otra fuente de información útil sobre las formas. Muchas propiedades formales de una región se pueden derivar midiendo la curvatura (o sea la tasa de cambio de dirección) de su borde externo. Son concavidades las partes del borde con curvatura negativa, o sea aquellas donde la dirección cambia el sentido opuesto a las agujas del reloj cuando el borde se sigue en el sentido de dichas agujas. Las esquinas son puntos del borde donde la curvatura pose un valor absoluto muy alto. Tales propiedades formales son útiles para segmentar una región en caso de ser necesario, por ejemplo cuando dos objetos de la escena se tocan o se superponen parcialmente. Representaciones geométricas Una región no tiene que ser representada por el conjunto de unos en su imagen binaria, se pueden usar otras representaciones más compactas si la forma de la región es simple. Las siguientes son algunas de las más conocidas: Código de Longitud de Secuencia: Cada fila de la imagen binaria consiste en secuencias de unos alternadas con secuencias de ceros. Así que una fila se determina completamente con especificar el valor inicial 0 o 1 y las longitudes de las cadenas. La mayoría de las propiedades geométricas de una región pueden
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medirse directamente de su código de Longitud de Secuencias. Este método de codificar una imagen ha sido muy utilizado en compresión de datos. Código de Encadenamiento: La secuencia de movimientos hechos al seguir un borde, junto con las coordenadas del punto de arranque, determinan completamente dicho borde; esta secuencia de movimientos se denomina el código de encadenamiento del borde. Una región queda determinada al especificar sus bordes de este modo, y muchas propiedades de la región se pueden calcular directamente a partir de esta codificación de los bordes. El mismo proceso se puede utilizar para codificar y procesar curvas digitalizadas. Árbol Tetrafurcado ("Quadtree"): Cualquier región es la unión de los bloques máximos de pixeles (ej: cuadrados) que están contenidos en la región; así que la región queda determinada al especificar la lista de centros y tamaños de esos bloques (cuadrados). Tal representación es muy compacta pero algo difícil de trabajar puesto que es una lista no ordenada. Una representación menos compacta pero más tratable es la denominada árbol Tetrafurcado ("Quadtree") que se obtiene al subdividir recursivamente la imagen binaria en cuadrantes, deteniéndose la subdivisión de un bloque cuando todos sus pixeles son iguales. El proceso de subdivisión recursiva define una estructura de árbol que se va ramificando en dé a cuatro ramas; el árbol facilita el procesamiento para cálculos geométricos. Otras Representaciones: También son útiles varios métodos para aproximar la forma de una región. La frontera de una región puede ser aproximada por un polígono. Una región similar a una cinta posee un eje medio en el cual los centros de los cuadrados máximos caen aproximadamente a lo largo de una curva (el esqueleto de la cinta); entonces la región se puede aproximar especificando esa curva junto con una función de amplitud que especifica cómo varían los tamaños de los cuadrados al movernos sobre la curva. Las aproximaciones poligonales sucesivas a una curva se pueden organizar en una estructura de árbol, en la cual un nodo representa el lado de un polígono que aproxima un arco dado de la curva y los hijos de ese nodo representan los lados de un polígono refinado que aproximan subarcos del arco. Reconocimiento en escenas bidimensionales En los ambientes de trabajo en que nos podemos limitar a dos dimensiones, asumimos que los objetos a reconocer son relativamente planos y que yacen sobre una superficie. Ajuste a plantilla y transformada de Hough Si la forma del objeto deseado se conoce de antemano con precisión, este es posible que se reconozca por medio de un proceso de comparación contra patrones o plantillas. Un método primitivo sería comparar la plantilla contra la imagen, pixel por pixel, en todas las posiciones y orientaciones bidimensionales
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posibles. La comparación se puede basar en diferencias a nivel de pixel, o calculando alguna función de correlación. Este es un método computacionalmente costoso que se usa sólo para detectar partes pequeñas de objetos, tales como bordes rectos o esquinas, usando plantillas que constan de pocos pixels. Si de este modo podemos detectar un conjunto de rasgos distintivos del objeto, luego se pueden buscar combinaciones de esos rasgos en posiciones relativas adecuadas para determinar el objeto en sí. Un método menos costoso computacionalmente, conocido como la transformada de Hough, se puede utilizar para objetos que aunque son extensos, contienen relativamente pocos pixeles, por ejemplo una curva delgada, o el borde de un objeto. La idea básica es mapear esos pixeles hacia un espacio transformado definido de tal manera que los pixeles pertenecientes a la curva o borde de interés se proyecten sobre un mismo punto en ese espacio. Si en la imagen hay presentes muchos pixeles que pertenecen todos a la misma curva, ellos darán origen a un pico en el espacio de Hough. Ajuste a características Si los objetos que se espera encontrar en la escena son suficientemente diferentes entre sí, a menudo es posible distinguirlos midiendo los valores de un conjunto de propiedades, sin requerir una confrontación contra plantillas. Las propiedades usadas pueden ser las de índole geométrica mencionadas antes, o también relacionadas con el color o la textura. Para cada región candidata en la imagen se le mide el conjunto de propiedades y se compara con los valores ideales que caracterizan a los varios tipos de objetos. Se ha reconocido que una región R es un objeto X cuando las medidas para R coinciden aproximadamente con los valores típicos de X. Reconocimiento Estructural Si los objetos son relativamente complejos puede no ser posible distinguirlos entre sí con base en conjuntos de valores de ciertas características, ya que los rangos de valores que caracterizan diferentes objetos pueden no ser suficientemente distintos. En tal caso se puede intentar un método estructural. Se extraen de la imagen partes de los objetos y se caracterizan por valores de parámetros. Luego se hallan combinaciones de esas partes, en relaciones determinadas, las cuales representan partes más complejas u objetos completos. Este proceso se puede repetir en varias etapas, si fuere necesario, hasta que se identifican los objetos deseados. Este método se conoce como RECONOCIMIENTO ESTRUCTURAL, o RECONOCIMIENTO SINTACTICO ya que tiene analogía con el análisis sintáctico del lenguaje.
Imágenes 3D • Es posible crear imágenes 3D de las formas de los objetos (Marr, 1982 y 1985) a partir de diversas técnicas: – Visión imágenes 2D) estereroscópica (múltiples
– Movimiento (secuencias de vídeo) – Variaciones de intensidad, enfoque.… – Triangulación activa (luz láser)
Figura 81.- Imagen 3D
Visión tridimensional La visión es mucho más compleja si requerimos tratarla tridimensionalmente, por ejemplo si un robot debe trabajar con una pila de objetos, o tiene que determinar la orientación de un objeto en el espacio. En tales escenas las superficies de los objetos pueden tener orientaciones variables y, por ejemplo, un objeto uniformemente reflectante puede no aparecer con brillo uniforme. También es difícil obtener información uniforme; las sombras son inevitables. Si se pueden calcular los efectos de la iluminación y de la orientación de las superficies, se puede corregir la información de brillo de la imagen, de manera que está presente la reflectividad intrínseca de las superficies para luego segmentar la imagen en regiones que correspondan a superficies uniformemente reflectivas. Además, si se conoce la orientación de una superficie en todos los puntos, se puede segmentar la imagen en regiones dentro de las cuales no hay cambios abruptos en la orientación y que entonces probablemente pertenecen a las superficies de un mismo objeto. Pero aún si se logra una segmentación correcta, el reconocimiento del objeto tridimensional aún es difícil porque tal objeto puede originar en la imagen regiones de formas (bidimensionales) muy variadas según su orientación. Además, sólo vemos un lado del objeto desde un punto de vista dado, y los objetos pueden ocultarse parcialmente entre sí, lo cual significa que el reconocimiento se debe basar en datos incompletos. La investigación a fondo de la visión tridimensional artificial comenzó a mediados de los 60 en los principales laboratorios de inteligencia artificial. Se desarrollaron muchas técnicas para recuperar información sobre la orientación y las formas tridimensionales de las superficies visibles en una escena. Los métodos utilizados incluyen medición de la distancia, mapeado estéreo, y la inferencia sobre la forma de la superficie a partir de indicios presentes en una sola imagen. Adicionalmente, se desarrollaron métodos para la información morfológica tridimensional y se
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realizó un trabajo básico sobre el reconocimiento de objetos tridimensionales parcialmente visibles y con orientación desconocida. Las técnicas de visión tridimensional tienden a ser computacionalmente costosas, y pocas han sido aplicadas fuera de ambientes experimentales. Recuperación de forma superficial a partir de una sola imagen El nivel de gris de un pixel en una imagen digital representa la cantidad de luz recibida por el sensor desde una dirección dada, o sea el brillo aparente de un punto P dado en la superficie de algún objeto en la escena. Ese valor de brillo es el resultante de, al menos, tres factores: Nivel de iluminación en P, reflectividad de la superficie en P y la orientación espacial de tal superficie relativa a la dirección de la mirada. No es posible separar los efectos de esos factores si solamente conocemos el brillo del punto P. Sin embargo, conociendo toda la imagen, y bajo ciertas condiciones de la escena y su iluminación, se pueden obtener algunas conclusiones razonables. Forma a partir de sombreado En la vecindad inmediata de un punto P, la iluminación tiende a ser aproximadamente constante, excepto en el borde de una sombra. Entonces, si P está en una superficie uniformemente reflectiva, las variaciones del brillo (sombreado) en la vecindad de P, se deben principalmente a variación en la orientación de la superficie. Las variaciones del brillo no determinan completamente la orientación de la superficie, pero sí la restringen, y si se conocen en ciertos puntos de una región esto puede permitir el determinar la orientación en el resto de la región Forma a partir de textura Si una superficie tiene una textura o trama visual uniforme, dará origen a una región de la imagen en la cual dicha trama no es uniforme, debido a efectos de la orientación de la superficie. La dirección de la superficie, en principio, se puede deducir a partir de mediciones locales de la anisotropía de la trama visual de la imagen. Una técnica relacionada con este principio consiste en iluminar la escena con un patrón o trama regular de luz y sombras (ejemplo: rejilla uniforme de huecos cuadrados). Las distorsiones de tal trama, como aparecen en la imagen, proporcionan información acerca de las orientaciones superficiales. Tal tipo de iluminación recibe el nombre de "estructurada". Forma tridimensional a partir de forma bidimensional También se pueden obtener indicios acerca de las formas tridimensionales de las superficies de la escena a partir de las formas bidimensionales de los rasgos. Un ejemplo primitivo de este concepto, usando aristas lineales, demostró que las
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formas de las esquinas donde se unen las aristas dan información útil sobre cuales superficies de las que se encuentran en una de esas uniones pertenecen a un mismo objeto. Posteriormente se generalizó este trabajo basándose en que un borde en una imagen puede originarse por varios tipos de cambios abruptos en la escena, incluyendo cambios en la iluminación (bordes por sombra), ocultamiento parcial, o marcas en una misma superficie. Cuando las aristas se reúnen en un punto (vértice) no son posibles todas las combinaciones de esos casos, y cuando se consideran todas esas uniones en la imagen, se reduce mucho el número de posibilidades. En principio es posible distinguir entre varios tipos de aristas analizando cuidadosamente las variaciones de brillo en su vecindad. Cuando superficies planas se encuentran en un vértice, las orientaciones espaciales de las superficies están restringidas, y esto da información útil acerca de la forma de poliedros. Las formas de los bordes o regiones en una imagen, también pueden dar información cuantitativa sobre la forma de la superficie si se hacen ciertas asumsiones respecto a los extremos. Por ejemplo, una curva en una imagen puede ser producida por muy diferentes curvas en el espacio, pero muchas veces se puede asumir que la curva real en el espacio es la que tiene la menor curvatura posible. Similarmente, una región en una imagen puede originarse por diversos trozos de superficie en el espacio, pero se puede asumir que el trozo real de superficie es el que tiene la forma más simple, o sea la más simétrica y compacta. Detección de distancia y visión en estéreo Si disponemos de dos imágenes de una misma escena tomadas de dos posiciones diferentes conocidas, y si podemos identificar en ambas los dos puntos correspondientes a un mismo punto P de la escena, entonces se puede calcular por triangulación la posición del punto P en el espacio. La principal dificultad es el identificar los pares correspondientes de puntos de imagen. También se puede derivar la forma de la superficie a partir de múltiples imágenes tomadas desde una misma posición. Pero bajo diferentes condiciones de iluminación. El sombreado en cada imagen impone restricciones en las orientaciones de las superficies en cada punto, y la intersección de esas restricciones determina la orientación sin ambigüedad. En esta técnica, conocida como "estéreo fotométrico" no hay problema en identificar un par de puntos correspondientes, puesto que las imágenes están en perfecto registro. La información sobre la forma de las superficies estaría inmediatamente disponible si se pudiera medir directamente la distancia a cada punto superficial visible. Se han desarrollado varios tipos de sensores de distancia. Un método es iluminar una parte de la escena cada vez, por ejemplo con un plano de luz; la posición espacial de un punto iluminado puede quedar completamente determinado por su posición en la imagen, ya que debe quedar a lo largo de una dirección espacial dada (la dirección de la visión) y también sobre el plano de luz. Otro método consiste en iluminar la escena punto por punto, con un pulso de luz, y medir la distancia hasta
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el punto iluminado por medio del desplazamiento de fase o retardo entre el envió del pulso y el retorno del reflejo. Reconocimiento de objetos tridimensionales En la imagen segmentada de una escena tridimensional las regiones representan parches de superficie. El reconocimiento de objetos tridimensionales a partir de una imagen bidimensional es difícil porque solamente se ve un lado de los objetos, aun ignorando la posible ocultación de un objeto por otro, y las formas de las partes visibles dependen de la orientación del objeto. Si se sabe de antemano qué posibles objetos pueden aparecer en la escena, una técnica sería almacenar descripciones de esos objetos como se verían desde varias decenas de puntos de vista, para hacer una comparación de formas, pero esto es computacionalmente costoso. Se pueden definir descripciones tridimensionales de objetos de varias maneras. Un objeto se puede determinar especificando las formas de sus superficies, las cuales se pueden aproximar por "parches" de varios tipos estándar, (Como en el caso bidimensional, las aproximaciones sucesivas se pueden organizar en un árbol). Un objeto también se puede aproximar por la unión de "cubos máximos" de varios tipos. Los cubos máximos se pueden organizar en una estructura de árbol ramificado de a 8 ramas ("octree"), definido subdividiendo recursivamente el espacio en octantes. Dado un conjunto de tales descripciones tridimensionales de objetos, estos se pueden reconocer en la imagen por un proceso de análisis de restricciones. Una región o borde en la imagen no puede ser proyección de cada posible borde o superficie de un objeto; sólo se puede originar de un subconjunto de los objetos posibles, y estos tienen que estar en un subconjunto de las posibles orientaciones espaciales. Si un conjunto de bordes o regiones es consistente, en este sentido, con la presencia de cierto objeto en cierta orientación, hay evidencia fuerte de que este objeto está presente en la escena.
Etapas de un Sistema de Visión Artificial (SVA) Las etapas en un SVA son: 1.- Captura ó adquisición de la imagen digital 2.- Preproceso 3.- Segmentación 4.- Representación y descripción (extracción de características)
5.- Reconocimiento e Interpretación
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1.- Captura ó adquisición de la imagen digital
Figura 82.- Captura de imágenes digitales
Formación de la imagen en el sensor: Cámara modelo “pinhole” • Se trata de un modelo abstracto de cámara (caja que contiene un pequeño en ella) • Modelo sencillo que funciona en la práctica agujero
Figura 83a.- Cámara modelo “pinhole”
Los objetos más distantes aparecen en la imagen más pequeña.
Figura 83b.- Cámara modelo “pinhole”
Formación de la imagen en el sensor: proyección
Figura 84.- Proyección
El punto P del mundo real 3D, de coordenadas (x, y, z) se proyecta en el plano de formación de la imagen 2D del sensor en el punto P‘, de coordenadas (U,V).
Formación de involucrados
• Parámetros ópticos: caracterizan al sensor
-tipo de lente, distancia focal, campo de visión, grado de apertura, ... • Parámetros fotométricos: caracterizan la luz reflejada por el objeto -características de la iluminación (tipo, intensidad, dirección), de reflectancia del objeto visto, ... propiedades
• Parámetros geométricos: caracterizan la proyección del objeto en el sensor - tipo de proyección, posición y orientación del sensor, distorsiones de la lente, …
Formación de la imagen en el sensor: Cámaras fotográficas Capturan la imagen proyectada en su superficie transmiten al computador que la almacena y analiza. Tipos: fotosensible y la
o Cámaras fotográficas analógicas + tarjetas digitalizadoras o Cámaras fotográficas digitales: o Sensores CCD (charge-coupled device o dispositivo de cargas [eléctricas] interconectadas): es un circuito integrado que contiene un número determinado de condensadores enlazados o acoplados. Los CCD son los más extendidos en aplicaciones profesionales y en cámaras digitales. o Dispositivos CMOS (complementary metal oxide semiconductor): utilizados en algunas cámaras digitales y en numerosas Webcam.
Formación de la imagen en el sensor: Otras cámaras • Cámaras de vídeo: – Estándar Europa (CCIR y PAL, 625 líneas entrelazadas, 25 frames/seg. – Estándar USA (RSEstándar USA (RS170 y NTSC, 525 líneas 170 y NTSC, 525 líneas entrelazadas, 30 frames/seg. • Otras clasificaciones de cámaras: – alta velocidad, – alta definición, – cámaras infrarrojas térmicas, etc...
Formación de la imagen digital: Muestreo y cuantización
Figura 85.- Muestreo y cuantización de una imagen digital
•Una imagen digital 2D es una función bidimensional discreta f (x,y) que se compone de un nº finito (N x M) de píxeles (picture elements ). • x e y son las coordenadas del plano, f es la intensidad o nivel de gris. •Muestreo: digitalización espacial (x e y finitas y discontinuas) •Cuantización: discretización del nivel de gris.Nº niveles=2k (potencia de 2) •Una imagen digital 2D es una función bidimensional discreta f (x,y) que asocia a cada punto o píxel discreto (muestreo) un valor discreto (cuantización) de brillo o intensidad correspondiente.
Figura 86a.- Muestreo y cuantización de una imagen digital según brillo e intensidad
Figura 86b.- Muestreo y cuantización de una imagen digital según brillo e intensidad
Figura 87.- Matrices de pixeles según el tipo de imagen
Almacenamiento en fichero con formato de imagen (Graphical File Formats) • Fichero de imagen: cabecera que describe las características de la imagen (modo de color, paleta de color, resolución, etc.) seguida de un mapa de bits (ó de píxeles). • Existen diferentes formatos estándar: • Imágenes: TIFF, GIF, BMP, JPEG, ... • Secuencias de imágenes: MPEG, AVI, ...
2.- Preproceso de imágenes El preproceso de las imágenes puede estar encaminado a: • Mejorar la calidad de la imagen para destacar la información que tiene interés para los tratamientos posteriores en el SVA: • Aumento del contraste, • Eliminación de ruido, • Realce (ó realzado), etc. • Destacar la información que tiene interés para las etapas posteriores del SVA, eliminando el resto: • filtrado
Figura 88.- Ejemplo de segmentación
División de una imagen en regiones homogéneas que se corresponden con los objetos contenidos en ella. El éxito en esta etapa determina el éxito de las posteriores etapas.
4.- Representación o extracción de características • Obtención de medidas de características de los objetos segmentados. Ej.: color, forma (área, perímetro, nº de agujeros, ...).
Figura 89.- Ejemplo de extracción de características
• Características invariantes a transformaciones geométricas. • Obtención de vectores de características.
5.- Reconocimiento e Interpretación Cada objeto representado mediante un vector con los valores de sus características, es clasificado a partir de las mismas. Ejemplo: utilizando las dos características nº de agujeros y desviación típica del radio, es posible clasificar los tres objetos siguientes.
Figura 90.- Ejemplo de Reconocimiento
Elementos de un SVA • Sensor sensible a la energía irradiada por el objeto que se desee fotografiar • Digitalizador analógico/digital que produzca una salida eléctrica proporcional a la intensidad de la luz (si el sensor no es digital) • Hardware especializado de procesamiento de imágenes (opcional): parecido a una ALU que ejecute operaciones aritmético-lógicas sobre todos los píxeles de la imagen en paralelo. Permite aumentar la velocidad de la imagen en paralelo. Permite aumentar la velocidad de procesamiento de las e procesamiento de las imágenes. Útil cuando se requieren salidas rápidas p.e. en procesamiento de vídeo. • Computador de propósito general (en la asignatura nos limitaremos a él pues cualquier PC bien equipado puede ser apropiado para implementar tareas de procesamiento offline). • Software para el procesamiento de imágenes con funciones especializadas para el mismo. • Dispositivos de almacenamiento masivo (si se cuenta con miles de imágenes): 1 imagen 1024x1024 píxeles con 8 bits/píxel ocupa 1 Mb sin comprimir. • Monitor, impresora, reproductor y grabador de CD/DVD, banda ancha de red si fuera necesaria la transmisión de imágenes.
Herramientas software para imágenes digitales • Existen muchas librerías y herramientas software para facilitar la labor de programación de SVA. • Entre ellos podemos destacar: •Entorno de programación MATLAB para trabajar con matrices de forma sencilla, y su Image Processing Toolbox • Librerías OpenCV con múltiples algoritmos implementados • Entorno dispositivos Matrox: librerías MIL • Entorno de programación visual Khoros mediante uso de o toolboxes específicas módulos
• Programas de usuario: PhotoShop, Paint Shop Pro, Gimp, Xv, ...
El alumno integrará los elementos de un proyecto de automatización, para mejorar y mantener un proceso de aplicación industrial.
Elaborar una propuesta de automatización que satisfaga los requerimientos del proceso.
Realizar la Propuesta de automatización según los parámetros establecidos por el catedrático
Especificación de material y equipo
Elaborar las especificaciones técnicas de los instrumentos y equipo de control, según las condiciones de procesos.
Realizar la Especificación de material y equipo según los parámetros establecidos por el catedrático
Elaborar los diagramas de instalación, conexión de E/S, neumáticos, hidráulicos, etc. Realizar los Diagramas Técnicos según los parámetros establecidos por el catedrático
Realizar las pruebas preliminares y la puesta en marcha del sistema. Realizar el proyecto cumpliendo con lo establecido en la propuesta y acorde a los diagramas técnicos
Elaborar un manual de operación que permita operar el sistema con seguridad y eficiencia. Elaborar una propuesta de mantenimiento y localización de fallas. Realizar los Manuales de operación y mantenimiento según los parámetros establecidos por el catedrático
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