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INSTRUMENTACION VIRTUAL Unidad 2 – Etapa 2 – Adquirir y enviar la información a un sistema digital

Leslie Wander Marulanda Rivera Luis Fernando Calle Jaramillo Nerley Adrian Giraldo Gómez Carlos Antonio Sánchez Arias

Santiago Rúa Tutor.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIA E INGENIERIA Octubre 2019

INTRODUCCIÓN

En este documento estaremos realizando una revisión de los sistemas digitales utilizados en la parte industrial para adquirir y trasmitir variables análogas o de comunicación, veremos una introducción sobre los protocolos de comunicación mas utilizados en la parte industrial y de prototipado, que variables son más utilizadas velocidades de las señales, voltajes y todas aquellas características que son necesarias para el funcionamiento, el documento fue desarrollado con la ayuda del grupo colaborativo del universidad abierta y a distancia UNAD para la materia instrumentación virtual y tiene los aportes de los integrantes del grupo fruto de las investigaciones individuales que cada uno realizo acerca del tema adquirir y enviar información en nuestro sistemas digitales, y para el desarrollo de una propuesta de automatización para un invernadero cumpliendo con las características que el cliente nos solicita, esta parte del desarrollo de la actividad nos lleva hasta la propuesta de las comunicaciones de los dispositivos sensores análogos principalmente a nuestra tarjeta de adquisición de datos.

Orden para los aportes de los integrantes: 1- Leslie Wander Marulanda Rivera 2- Luis Fernando Calle Jaramillo 3- Nerley Adrian Giraldo Gómez 4- Carlos Antonio Sánchez Arias

Realizar una consulta sobre adquisición y acondicionamiento de señales para sensores. Deberá tener en cuenta temas como convertidores análogos a digital, circuitos electrónicos para adecuación de señales (puente wheastone) y comunicaciones industriales (salidas de corriente y voltaje).

Leslie Wander Marulanda Rivera estudiante 1, punto 1

Sistemas de adquisición de datos Descripción de un proceso muy general de un sistema de adquisición de señales se presenta a continuación:

El inicio es captar a través de un sensor la variable física ocurrida, luego la señal entregada por nuestro sensor de deberá tratar por una etapa llamada amplificación y acondicionamiento de la señal, seguido esta señal se convierte por un sistema conversor análogo digital (ADC), luego esta información ya se encuentra lista para integrarla a nuestro ordenador donde se tomarán las acciones a seguir, hasta aquí seria el tratamiento básico sin embargo existe otra etapa igual de importante y es devolverle al proceso las acciones tomadas y menciono esto precisamente por el potencial de estos sistemas, dichas acciones se enviarán pero se deberán convertir de información digital a información análoga logrando esto con un conversor digital análogo, luego esta información llegará a mi actuador quien es finalmente el que ejecute las correcciones dadas. Como comunicación industrial existe uno muy potente, muy utilizado y abierto este es protocolo HART, este es transforma una señal señal analógica 4 - 20 mA en una señal digital, este es un protocolo abierto, que utiliza una topología de red punto a punto o multipunto en configuración maestro esclavo, utiliza un bucle de corriente 4-20 mA a 2 hilos (2 alambres), además de viajar la señal analógica de corriente viaja también señal digital donde se puede tener información de diagnósticos, configuración de la instrumentación entre otros. (Referencia 1)

El puente de Wheatstone hace parte de los puentes de medición en corriente continua, este es de gran precisión, es usado como sensor en dispositivos que varían el valor de su resistencia de acuerdo a la variación de las variables ejemplo: temperatura, presión, humedad, entre otras. Este es muy utilizado en la medición de variables físicas para convertirlas en señales eléctricas donde por medio de circuitos electrónicos se procesa estas señales y así realizar el proceso de conversión analógico a digital para luego realizar visualización u otro tratamiento con estas señales.

Control Controlador lógico programable Marca: Siemens Modelo: S7-1200 Módulos de entrada y salida tanto análogos y digitales. Hardware para la adquisición de datos del proceso proveniente de la instrumentación antes mencionada. Software Scada Utilizaremos como software a LABVIEW de national instruments, en este desarrollaremos la estrategia de control de acuerdo con las necesidades del proceso y del cliente, para esto tenemos la siguiente solución. Para controlar el tiempo de cosecha utilizaremos un temporizador el cual nos hará la contabilización de tiempo el cual nos permitirá configurar una alarma en 3 días antes de cumplir el tiempo de cosecha ajustado por el agricultor, donde avisará al cliente que se culminará el tiempo de cosecha. A través de código en Labview programaremos una interfaz HIM con controladores, indicadores de temperatura, humedad relativa y valores de PH, que nos servirán para programar el momento, la frecuencia y tiempo de riego del sistema para que se ejecute de forma automática, este se ejecutará teniendo en cuenta las condiciones del cultivo en términos de las variables que comprenden este sistema. El cliente tendrá en tiempo real la visualización del proceso, además podrá consultar tendencias, podrá ajustar y controlar variables críticas como la temperatura.

Luis Fernando Calle Jaramillo estudiante 2 , punto 1 Los sensores son transductores que convierten una magnitud física como la temperatura, la presión, nivel, entre otras en magnitudes eléctricas como voltaje, corriente o impedancia. Estas señales deben ser acondicionadas a determinados niveles de acuerdo con el proceso que se esté realizando o midiendo, por eso encontraremos señales de sensores que son resistivos y necesitan llevarse a un nivel de tensión y de corriente, en otros casos el sensor entrega niveles de frecuencia y debe convertirse a niveles de tensión, Para ello se utiliza una etapa o bloque llamado acondicionador de señal. Para realizar el proceso de acondicionamiento de señal se utilizan varios Circuitos donde mencionaremos unos de los más comunes. Puente De Wheatstone El puente resistivo de la figura (conocido como puente de Wheatstone) es una forma alternativa para medir pequeños cambios de resistencia. La variación en el valor inicial de una o varias de las resistencias del puente, como consecuencia de la variación de una magnitud física, se detecta en el puente como un cambio en la tensión de salida. Dado que los cambios de resistencia son muy pequeños, los cambios en la tensión de salida pueden ser tan pequeños como decenas de mV, lo que obliga a amplificar la señal de salida del puente.

Con la ayuda de un amplificador operacional lo podemos convertir en un amplificador de instrumentación. El uso de circuitos activos junto al puente de Wheatstone, como circuito de adaptación, permite introducir una ganancia en el sistema que palia la pérdida de linealidad y consecuentemente la necesidad de reducir la sensibilidad si se pretende trabajar con grandes variaciones de resistencia del sensor. El fundamento de numerosos módulos para el acondicionamiento de señales es el amplificador operacional. Este dispositivo amplificador de la diferencia de sus dos entradas, con una alta ganancia, es decir, una impedancia de entrada muy alta, (mayor a 1 Mega ohm) y una baja impedancia de salida (de 8 a 20 ohmios). Con estas características se deduce que las corrientes de entrada son prácticamente nulas y que tiene la característica de poder entregar corriente relativamente alta. Está disponible como circuito en chips de silicio. Tiene dos entradas: una inversora (-) y otra no inversora (+). La salida depende de cómo se hagan las conexiones de estas entradas. Convertidor Análogo/Digital. A continuación, describiremos las características esenciales que hemos de tener en cuenta para realizar nuestras medidas de un modo decente. No mencionaremos todas, sino las más básicas, dejando un estudio en profundidad de los convertidores para otro documento. Las características que no debemos olvidar son éstas: Impedancia de entrada Rango de entrada Número de bits Resolución Tensión de fondo de escala Tiempo de conversión

Error de conversión Hay una serie de características que son comunes a otros tipos de circuitos que no detallaremos, aunque siempre hay que tener en cuenta, como la impedancia de entrada, fan-out, etc. Número de bits: Es el número de bits que tiene la palabra de salida del convertidor, y por tanto es el número de pasos que admite el convertidor. Así un convertidor de 8 bits sólo podrá dar a la salida 28=256 valores posibles. Resolución: Es el mínimo valor que puede distinguir el convertidor en su entrada analógica, o, dicho de otro modo, la mínima variación, Vi, en el voltaje de entrada que se necesita para cambiar en un bit la salida digital, Podemos decir que:

donde n es el número de bits del convertidor, y Vfe la tensión de fondo de escala, es decir, aquella para la que la salida digital es máxima. La tensión de fondo de escala depende del tipo de convertidor, pero normalmente se fija a nuestro gusto, en forma de una tensión de referencia externa, (aunque en algunos casos, como el del convertidor ADC 0804 la tensión de fondo de escala es el doble de la tensión de referencia). Por ejemplo, un convertidor de 8 bits con una tensión de fondo de escala de 2V tendrá una resolución de:

Adquisición de datos. ¿Qué es Adquisición de Datos? La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir con una PC un fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un sistema DAQ consiste en sensores, hardware de medidas DAQ y una PC con software programable. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del

procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las PCs estándares en la industria proporcionando una solución de medidas más potente, flexible y rentable.

Bus de la PC Los dispositivos DAQ se conectan a una PC a través de una ranura o puerto. El bus de la PC sirve como la interfaz de comunicación entre el dispositivo DAQ y la PC para pasar instrucciones y datos medidos. Los dispositivos DAQ se ofrecen en los buses de PC más comunes, incluyendo USB, PCI, PCI Express y Ethernet. Recientemente, los dispositivos DAQ han llegado a estar disponibles para 802.11 Wi-Fi para comunicación inalámbrica. Hay varios tipos de buses y cada uno de ellos ofrece diferentes ventajas para diferentes tipos de aplicaciones.

PCI Express DAQ Multifunción de la Serie X.

USB de la Serie X añade adquisición de datos a cualquier PC con un puerto USB.

Protocolos de comunicación. Muchas veces escuchamos en la industria la palabra protocolos de comunicación sin tener claro de que estamos hablando. Con el objeto de familiarizar a los lectores, expondremos sus principales características y fundamentos de los más utilizados. En principio un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red. Estos han tenido un proceso de evolución gradual a medida que la tecnología electrónica ha avanzado y muy en especial en lo que se refiere a los microprocesadores. 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 lugar a una estructura de redes Industriales, las cuales es posible agrupar en tres categorías: · Buses de campo · Redes LAN · Redes LAN-WAN.

Nerley Adrian Giraldo Gómez estudiante3 , punto 1 Adquisición y acondicionamiento de señales El acondicionamiento de señal es un proceso de adquisición de datos que se lleva a cabo mediante un instrumento llamado acondicionador de señal. Ese instrumento convierte un tipo de señal eléctrica o mecánica (señal de entrada) en otro (señal de salida). El objetivo consiste en amplificar la señal y convertirla a otro formato fácil de leer y compatible con fines de adquisición de datos o de control de una máquina.

Un acondicionador de señal ayuda a obtener medidas precisas, como condición esencial para la exactitud de la adquisición de datos o del control de máquinas. Este tipo de instrumentos son capaces de efectuar otras funciones adicionales. A continuación se describen las últimas tendencias.

Funciones de un acondicionador de señal Conversión de señal La función principal de un acondicionador de señal consiste en recoger una señal y transformarla en una señal eléctrica de nivel superior. La conversión de señal se suele utilizar en aplicaciones industriales que emplean un amplio espectro de sensores para efectuar mediciones. Debido a la variedad de sensores utilizados, puede ser preciso convertir las señales generadas, para que puedan ser utilizadas por los instrumentos conectados a los sensores. En principio, cualquier señal procedente de un sensor puede convertirse en cualquier señal de proceso estándar.

Linealización Determinados acondicionadores de señal pueden llevar a cabo una linealización, si las señales que proporciona un sensor no tienen una correspondencia del todo lineal con la magnitud física. Para ello, llevan a cabo un proceso de interpretación de la señal mediante software. Es habitual en el caso de las señales de termopares. Este método se emplea para obtener una mayor exactitud, porque no todos los sensores son totalmente lineales. Los parámetros para la linealización se evalúan durante la calibración del sensor y se indican en el protocolo de calibración del sensor.

Amplificación El paso siguiente es la amplificación de la señal y el proceso de incrementar la señal para procesamiento o digitalización. Hay dos maneras de amplificar una señal: incrementar la resolución de la señal de entrada o aumentar la relación señal-ruido.

En el acondicionamiento de señales se emplean diferentes amplificadores para distintos fines; entre ellos cabe citar los amplificadores de instrumentación, que están optimizados para trabajar con señales de corriente continua, y que se caracterizan por una elevada impedancia de entrada, una alta supresión de la cadencia sincrónica (CMRR) y una elevada ganancia. Otro ejemplo de acondicionador de señal empleado en amplificación es el amplificador de aislamiento, que está diseñado para aislar altos niveles de corriente continua de un equipo, al tiempo que deja pasar una pequeña señal de corriente alterna o diferencial.

Filtrado Otra función importante de los acondicionadores de señal es el filtrado. Consiste en filtrar el espectro de frecuencia de la señal conservando solo los datos válidos y bloqueando todo el ruido. Los filtros pueden consistir en componentes pasivos y activos o en un algoritmo digital. Un filtro pasivo utiliza exclusivamente condensadores, resistencias e inductores con una ganancia máxima de uno. Un filtro activo utiliza componentes pasivos combinados con componentes activos, como amplificadores operacionales y transistores. Los acondicionadores de señal más avanzados emplean filtros digitales, porque son fáciles de ajustar y no requieren equipos físicos. Un filtro digital es un filtro matemático que se emplea para manipular una señal; por ejemplo, para bloquear o dejar pasar un intervalo de frecuencia determinado. Utilizan componentes lógicos como circuitos integrados para aplicaciones específicas (ASIC) o matrices de puertas programables (FPGA), o un programa secuencial con un procesador de señales.

Evaluación y funciones inteligentes Para aportar beneficios adicionales al usuario y al proceso, los acondicionadores de señal modernos cuentan con funciones especiales de evaluación de señales y reprocesamiento de datos medidos. Así, ayudan a monitorizar y evaluar alarmas y avisos de forma rápida y directa, mediante una salida eléctrica conmutada. Otras funciones inteligentes adicionales, como los canales de cálculo internos, se encargan de realizar operaciones matemáticas, como sumar señales de sensores, u operaciones tecnológicas como, por ejemplo, actuar como un controlador PID. Estas funciones ayudan a que el sistema reaccione más rápido y reducen la carga de trabajo del control de la máquina.

Interfaces Los convertidores de señal deben transmitir las señales de los sensores hasta el control de la máquina, utilizando para ello interfaces y protocolos estándar. Las interfaces pueden ser analógicas o digitales. Las interfaces analógicas típicas son señales de tensión (+/-10 V) o corriente (+/-20 mA), que son fáciles de manipular pero que tienen el inconveniente de que cada señal requiere un cableado independiente. Las interfaces digitales modernas están diseñadas como interfaces de bus basadas en Ethernet (Profinet, Ethercat, Ethernet/IP) y permiten conectar varios componentes con un solo hilo. De este modo se simplifica el cableado y se puede transmitir información adicional; por ejemplo, información de diagnóstico de los componentes, que es muy importante para reducir los tiempos de parada y para acelerar el mantenimiento.

Circuitos electrónicos para adecuación de señales

Convertidores análogos a digital Es un dispositivo electrónico capaz de convertir una señal analógica, ya sea de tensión o corriente, en una señal digital mediante un cuantificador y codificándose en muchos casos en un código binario en particular. Donde un código es la representación unívoca de los elementos, en este caso, cada valor numérico binario hace corresponder a un solo valor de tensión o corriente.

En la cuantificación de la señal se produce pérdida de la información que no puede ser recuperada en el proceso inverso, es decir, en la conversión de señal digital a analógica y esto es debido a que se truncan los valores entre 2

niveles de cuantificación, mientras mayor cantidad de bits mayor resolución y por lo tanto menor información pérdida. La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el teorema de muestreo y en los conceptos de cuantificación y codificación.

Circuitos de captura y mantenimiento (S/H:Sample and Hold).

Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para el muestreo de la señal analógica (durante un intervalo de tiempo) y el posterior mantenimiento de dicho valor, generalmente en un condensador, durante el tiempo que dura la transformación A/D, propiamente dicha.

El esquema básico de un circuito de captura y mantenimiento, así como su representación simplificada, se ofrece en la figura:

El funcionamiento del circuito de la figura es el siguiente: El convertidor A/D manda un impulso de anchura tw por la línea C/M, que activa el interruptor electrónico, cargándose el condensador C, dutrante el tiempo tw. En el caso ideal, la tensión en el condensador sigue la tensión de entrada. Posteriormente el condensador mantiene la tensión adquirida cuando se abre el interruptor.

En la siguiente figura se muestran las formas de las señales de entrada, salida y gobierno del interruptor.

El gráfico tiene un carácter ideal, puesto que tanto la carga como la descarga del condensador están relacionadas estrechamente con su valor y con el de las resistencias y capacidades parásitas asociadas al circuito.

Se recalca el hecho de que el control de la señal C/M procede del convertidor A/D, que es el único que conoce el momento en que finaliza la conversión de la señal.

Conversor A/D con comparadores. Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación están claramente separados. El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entre un número finito de niveles de tensión . Estos comparadores reciben en sus entradas la señal analógica de entrada junto con una tensión de referencia, distinta para cada uno de ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de entrada está por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá conocer el estado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación será necesario un codificador que nos entregue la salida digital.

Este convertidor es de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo en lugar de secuencial, reduciéndose el tiempo de conversión necesario a la suma de los de propagación en el comparador y el codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida a los casos de baja resolución, dado que para obtener una salida de N bits son necesarios 2N-1 comparadores, lo que lleva a una complejidad y encarecimiento excesivos en cuanto se desee obtener una resolución alta.

Conversor A/D con contadores.

Llamado también convertidor con rampa en escalera. Usa el circuito más sencillo de los conversores A/D y consta básicamente de los elementos reflejados en la figura siguiente:

Un comparador, reloj, circuito de captura y mantenimiento (S&H), contador, conversor D/A y buffers de salida.

Una vez que el circuito de captura y mantenimiento (S/H), ha muestreado la señal analógica, el contador comienza a funcionar contando los impulsos procedentes del reloj. El resultado de este contaje se transforma en una señal analógica mediante un convertidor D/A, proporcional al número de impulsos de reloj recibidos hasta ese instante.

La señal analógica obtenida se introduce al comparador en el que se efectúa una comparación entre la señal de entrada y la señal digital convertida en analógica. En el momento en que esta última alcanza el mismo valor ( en

realidad algo mayor) que la señal de entrada, el comparador bascula su salida y se produce el paro del contador. El valor del contador pasa a los buffers y se convierte en la salida digital correspondiente a la señal de entrada. Este convertidor tiene dos inconvenientes: Escasa velocidad. Tiempo de conversión variable. El segundo inconveniente puede comprenderse fácilmente con la ayuda de la siguiente figura, en la que se aprecia que el número de impulsos de reloj (tiempo), precisos para alcanzar el valor Vien el conversor D/A depende del valor de Vi.

Dicho tiempo de conversión viene dado por la expresión:

Puente wheastone El puente de Wheatstone es un arreglo de cuatro resistencias para determinar el valor de una resistencia desconocida. El arreglo es compatible con señales de DC y AC para su polarización de voltaje. La configuración del puente se realiza con las resistencias conectadas en dos conjuntos de dos resistencias.. Se toman dos nodos para polarizar el puente, y los otros dos nodos para medir la diferencia de tensión.

El puente de Wheatstone fue aplicado por primera vez en 1832, sin embargo, gracias a Charles Wheatsonte en 1843 fue que se popularizo y se le dio el nombre que tiene actualmente.

CONFIGURACIÓN DE RESISTENCIAS DE UN PUENTE DE WHEATSTONE Primero que nada, tenemos que comprender la configuración del puente. Las resistencias que están conectadas en la terminal positiva a la fuente de polarización, son R1 y R3. Las resistencias que están conectadas a tierra son R2 y R4. La resistencia R4 la podemos considerar como Rx ya que es la posición de el elemento a medir. R2 se puede considerar como variable, ya que de esta manera podemos modificara para encontrar el punto de equilibrio. Notese que R1 y R2 forman un divisor de voltaje o tensión, al igual que R3 y Rx. Suponga la condición inicial donde todas las resistencias son iguales, entonces el voltaje entre los nodos centrales de los dos divisores es igual a cero. Si no conoces el valor de una resistencia, puedes averiguarlo con el código de colores para resistencia.

Figura 10: Puente de Wheatstone. La resistencia R2 sirve para configura el puente en equilibrio. La resistencia Rx es el sistema a medir. Se puede iniciar armando el puente con resistencias de valor similar a Rx. Una vez armado, polarizar con un Vs, puede ser el valor que sea. Si se va a usar con un ADC o Arduino a 5V puedes estimar una variación máxima de de no más de 5V. Sin embargo, esto lo puedes ajustar con un amplificador operacional. La resistencia R2 es variable, de tal manera que se puede medir el voltaje de salida Vg en donde se busca igualarlo a cero. Considerando el sistema Rx sin evento de medición. Una vez ajustado el sistema, los cambios en Rx harán que el sistema salga de la región de equilibrio. Los cambios de voltaje serán medidos por Vg.

EXPLICACIÓN DEL PUENTE DE WHEATSTONE

Figura 2: Puente de Wheatstone. Flujo de corriente en el puente y terminales de voltaje de salida. Sistema en igualdad de resistencias, cuando el sistema está en equilibrio.

En este caso, para determinar un valor de salida correspondiente a la variación de Rx, consideramos el análisis del circuito. Considerando que el instrumento de medición tiene una resistencia suficientemente alta, la determinación del voltaje de la diferencia de potencial entre Vx1 y Vx2 es igual a:

Comunicaciones industriales Protocolo HART El protocolo HART (High way-AddressableRemote-Transducer) agrupa la información digital sobre la señal analógica típica de 4 a 20 mA DC. La señal digital usa dos frecuencias individuales de 1200 y 2200 Hz, que representan los dígitos 1 y 0 respectivamente y que en conjunto forman una onda sinusoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20 mA, ver fig.1.

Como la señal promedio de un onda sinusoidal es cero, no se añade ninguna componente DC a la señal analógica de 4-20 mA., lo que permite continuar utilizando la variación analógica para el control del proceso

PROFIBUS (Process Field Bus) Norma internacional de bus de campo de alta velocidad para control de procesos normalizada en Europa por EN 50170. Existen tres perfiles:

• Profibus DP (Decentralized Periphery). Orientado a sensores/actuadores enlazados a procesadores (PLCs) o terminales .• Profibus PA (Process Automation). Para control de proceso, cumple normas especiales de seguridad para la industria química (IEC 1 1 15 8-2, seguridad intrínseca). • Profibus FMS (Fieldbus Message Specification). Para comunicación entre células de proceso o equipos de automatización. Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo de comunicación digital para redes industriales, específicamente utilizado en aplicaciones de control distribuido. Puede comunicar grandes volúmenes de información, ideal para aplicaciones con varios lazos complejos de control de procesos y automatización. Está orientado principalmente a la interconexión de dispositivos en industrias de proceso continuo. Los dispositivos de campo son alimentados a través del bus Fieldbus cuando la potencia requerida para el funcionamiento lo permite.

MODBUS Modbus es un protocolo de transmisión para sistemas de control y supervisión de procesos (SCADA) con control centralizado, puede comunicarse con una o varias Estaciones Remotas (RTU) con la finalidad de obtener datos de campo para la supervisión y control de un proceso. La Interfaces de Capa Física puede estar configurada en:: RS-232, RS-422, RS485. En Modbus los datos pueden intercambiarse en dos modos de transmisión: • Modo RTU • Modo ASCII DEVICENET Red de bajo nivel adecuada para conectar dispositivos simples como sensores fotoeléctricos, sensores magnéticos, pulsadores, etc y dispositivos de alto

nivel (PLC, controladores, computadores, HMI, entre otros). Provee información adicional sobre el estado de la red, cuyos datos serán desplegados en la interfaz del usuario

Carlos Antonio Sánchez Arias estudiante 4 , punto 1

Acondicionadores de señal, son los amplificadores operacionales en sus diferentes estructuras de montaje, pasando por filtros o por procesadores analógicos, convirtiendo estas señales de analógico a digital para posteriormente ser procesados los datos con un DSP o Microcontrolador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador o por medio de un convertidor digital a analógico. Los acondicionadores de señal, como dice su palabra prepara la señal que vamos a procesar antes de entrarla a un convertidor A/D, a un microprocesador o DSP. La alta integración de los circuitos está desplazando los montajes con muchos componentes a diminutas placas con mayor precisión en el proceso analógico, empezando por el uso de amplificadores operacionales integrando varios de ellos en uno sólo, como los amplificadores de instrumentación.

Acondicionadores y Procesadores de señal

Para realizar el proceso de acondicionamiento de señal se utilizan varios Circuitos donde mencionaremos unos de los más comunes. Puente De Wheatstone Es un instrumento de gran precisión que puede operar en corriente continua o alterna y permite la medida tanto de resistencias óhmicas como de sus equivalentes en circuitos de comente alterna en los que existen otros elementos como bobinas o condensadores (impedancias). es un instrumento de gran precisión que puede operar en corriente continua o alterna y permite la medida tanto de resistencias óhmicas como de sus equivalentes en circuitos de comente alterna en los que existen otros elementos como bobinas o condensadores (impedancias).

Funcionamiento: Para determinar el valor de una resistencia eléctrica bastaría con colocar entre sus extremos una diferencia de potencial (V) y medir la intensidad que pasa por ella (I), pues de acuerdo con la ley de Ohm, R=V/I. Sin embargo, a menudo la resistencia de un conductor no se mantiene constante -variando, por ejemplo, con la temperatura y su medida precisa no es tan fácil. Evidentemente, la sensibilidad del puente de Wheatstone depende de los

elementos que lo componen, pero es fácil que permita apreciar valores de resistencias con décimas de ohmio. Medición: Cuando el puente se encuentra en equilibrio: R1 = R2 y Rx = R3 de donde R1 / Rx = R2 / R3. En este caso la diferencia de potencial (la tensión) es de cero "0" voltios entre los puntos A y B, donde se ha colocado un amperímetro, que muestra que no pasa corriente entre los puntos A y B (0 amperios). Cuando Rx = R3, VAB = 0 voltios y la corriente = 0 amperios. Si no se conoce el valor de Rx, se debe equilibrar el puente variando el valor de R3. Cuando se haya conseguido el equilibrio, Rx será igual a R3 (Rx = R3). R3 debe ser una resistencia variable con una carátula o medio para obtener valores muy precisos. Ejemplo: Si R1 y R2= 1 KΩ (Kilohmio) y R3 = 5 KΩ, Rx deberá de 5 KΩ para lograr que el voltaje entre A y B (VAB) sea cero (corriente igual a cero)

Así, basta conectar una resistencia desconocida (Rx) y empezar a variar R3 hasta que la corriente entre A y B sea cero. Cuando esto suceda, el valor de RX será igual al valor de R3 Usos: Muchos instrumentos llevan un puente de Wheatstone incorporado, como por ejemplo medidores de presión (manómetros) en tecnología de vacío, circuitos resonantes (LCR) para detectar fenómenos como la resonancia paramagnética, etc. Convertidor Análogo/Digital. Es un dispositivo electrónico capaz de convertir una señal analógica, ya sea de tensión o corriente, en una señal digital mediante un cuantificador y codificándose en muchos casos en un código binario en particular. Donde un

código es la representación unívoca de los elementos, en este caso, cada valor numérico binario hace corresponder a un solo valor de tensión o corriente. En la cuantificación de la señal se produce pérdida de la información que no puede ser recuperada en el proceso inverso, es decir, en la conversión de señal digital a analógica y esto es debido a que se truncan los valores entre 2 niveles de cuantificación, mientras mayor cantidad de bits mayor resolución y por lo tanto menor información pérdida. Impedancia de entrada Rango de entrada Número de bits Resolución Tensión de fondo de escala Tiempo de conversión Error de conversión Hay una serie de características que son comunes a otros tipos de circuitos que no detallaremos, aunque siempre hay que tener en cuenta, como la impedancia de entrada, fan-out, etc. Número de bits: Es el número de bits que tiene la palabra de salida del convertidor, y por tanto es el número de pasos que admite el convertidor. Así un convertidor de 8 bits sólo podrá dar a la salida 28=256 valores posibles. Resolución: Es el mínimo valor que puede distinguir el convertidor en su entrada analógica, o, dicho de otro modo, la mínima variación, Vi, en el voltaje de entrada que se necesita para cambiar en un bit la salida digital, Podemos decir que:

donde n es el número de bits del convertidor, y Vfe la tensión de fondo de escala, es decir, aquella para la que la salida digital es máxima. La tensión de fondo de escala depende del tipo de convertidor, pero normalmente se fija a nuestro gusto, en forma de una tensión de referencia externa, (aunque en algunos casos, como el del convertidor ADC 0804 la tensión de fondo de escala es el doble de la tensión de referencia). Por ejemplo, un convertidor de 8 bits con una tensión de fondo de escala de 2V tendrá una resolución de:

Adquisición de datos. ¿Qué es Adquisición de Datos? La adquisición de datos o adquisición de señales consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otros dispositivos electrónicos (sistema digital). Consiste en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan ser procesadas por una computadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de adquisición de datos (DAQ).

Un sistema DAQ se compone de sensores, hardware de medidas DAQ y una PC con software programable. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las PCs estándares en la industria proporcionando una solución de medidas más potente, flexible y rentable.

Bus del PC Los dispositivos DAQ se conectan a una PC a través de una ranura o puerto. El bus de la PC sirve como la interfaz de comunicación entre el dispositivo DAQ y la PC para pasar instrucciones y datos medidos. Los dispositivos DAQ se ofrecen en los buses de PC más comunes, incluyendo USB, PCI, PCI Express y Ethernet. Recientemente, los dispositivos DAQ han llegado a estar disponibles para 802.11 Wi-Fi para comunicación inalámbrica. Hay varios tipos de buses y cada uno de ellos ofrece diferentes ventajas para diferentes tipos de aplicaciones.

PCI Express DAQ Multifunción de la Serie X.

USB de la Serie X añade adquisición de datos a cualquier PC con un puerto USB.

Protocolos de comunicación. Es un sistema de reglas que permiten que dos o más entidades de un sistema de comunicación se comuniquen entre ellas para transmitir información por medio de cualquier tipo de variación de una magnitud física. Se trata de las reglas o el estándar que define la sintaxis, semántica y sincronización de la comunicación, así como también los posibles métodos de recuperación de errores. Los protocolos pueden ser implementados por hardware, por software, o por una combinación de ambos. También se define como un conjunto de normas que permite la comunicación entre ordenadores, estableciendo la forma de identificación de estos en la red, la forma de transmisión de los datos y la forma en que la información debe procesarse. Los sistemas de comunicación utilizan formatos bien definidos (protocolo) para intercambiar mensajes. Cada mensaje tiene un significado exacto destinado a obtener una respuesta de un rango de posibles respuestas predeterminadas para esa situación en particular. Normalmente, el comportamiento especificado es independiente de cómo se va a implementar. Los protocolos de comunicación tienen que estar acordados por las partes involucradas. Para llegar a dicho acuerdo, un protocolo puede ser desarrollado dentro de estándar técnico. Un lenguaje de programación

describe el mismo para los cálculos, por lo que existe una estrecha analogía entre los protocolos y los lenguajes de programación: «los protocolos son a las comunicaciones como los lenguajes de programación son a los cómputos». Un protocolo de comunicación, también llamado en este caso protocolo de red, define la forma en la que los distintos mensajes o tramas de bit circulan en una red de computadoras. Por ejemplo, el protocolo sobre palomas mensajeras permite definir la forma en la que una paloma mensajera transmite información de una ubicación a otra, definiendo todos los aspectos que intervienen en la comunicación: tipo de paloma, cifrado del mensaje, tiempo de espera antes de dar a la paloma por 'perdida'... y cualquier regla que ordene y mejore la comunicación.

Punto 2 Cada estudiante debe leer y analizar el problema planteado en el Anexo 1. Teniendo en cuenta el listado de instrumentos y la solución planteada en la etapa anterior, deberá diseñar un sistema de adquisición de datos para la instrumentación propuesta, así como un sistema de comunicación para envió de la información al computador.

Es importante en este punto que el sistema de adquisición de datos diseñado debe contar con las especificaciones de hardware necesarias para su funcionamiento. A este punto ya es importante que se comience con la implementación del prototiopo o de su simulación. Aquí también es importante que se hable del sistema de comunicación, ya que existen sensores de diferentes tipos con diferentes tasas de muestreo. Otro ítem importante de este punto es mostrar como se envía la información empaquetada. Lo anterior significa que protocolo de comunicación se va a utilizar y la forma como se va a utilizar. Por ejemplo, JSON es un formato de texto sencillo para el intercambio de datos el cual consiste en usar un conjunto de llaves y de objetos para describir información. ¿Ahora si proceden a realizar uno propio como seria? ¿Tendría alguna detección de error?

LESLIE WANDER MARULANDA RIVERA estudiante 1 , punto 2 -----**********-------///////////----------*************

Luis Fernando Calle Jaramillo Estudiante 2, punto 2.

Para realizar la adquisición de datos para la instrumentación y la comunicación y comunicación para envió de la información al computador, lo haremos por medio de una placa Arduino que servirá como una placa de control y adquisición de datos con el software LabVIEW el cual servirá como receptor de información y de visualización.

Para configurar LabVIEW con Arduino se necesita tener en nuestro ordenador instalado los siguientes programas: LabVIEW. VI Package Manager. Arduino IDE. Ni Visa. (National Instruments).

Luego de tener los softwares necesarios instalado en nuestro ordenador procedemos a realizar la comunicación entre LabVIEW y Arduino, para ello realizamos el siguiente procedimiento.

Abrimos nuestro LabVIEW y damos clic en el icono de tools en donde se despliega un menú y hacemos la siguiente secuencia Maker Hub/LINX/LINX Firmware wizard. Como muestra la figura.

Luego de este paso se nos desplegara una ventana en donde tenemos que configurar varias cosas como la placa Arduino que vamos a conectar, el puerto de comunicación que vamos a utilizar.

Al hacer esto se comenzará a descargar un software dentro de la placa Arduino y nos mostrará una ventana en donde podemos finalizar el proceso o nos da la opción de realizar un ejemplo para confirmar que la comunicación exista entre LabVIEW y Arduino.

El ejemplo nos permite por medio de un pulsador encender y apagar un led que está conectado dentro de la placa Arduino al pin 13.

Sistema De Adquisición de Datos del Sensor DTH11. VI En LabVIEW.

Código Arduino.

Nerley Adrian Giraldo Gómez estudiante 3, punto 2

Se propone la implementación del sistema en la marca de PLC y scada en la marca allen bradley, esto porque cumple con los requisitos del proyecto en la parte de confiabilidad, costos, y sus equipos son robustos en hardware y software, tienen buen soporte en repuestos y asesoría ya sea con información o asesorías. Para la parte del proyecto desde el ámbito del curso de instrumentación virtual se elije ya que tiene la opción de montar todo el sistema en modo simulación de la CPU y los sistemas de comunicación y visualización en pantalla con el sofware Factoty talk view para pantallas y RSlogix 5000 studio para el plc , para implementar las redes de comunicación se utilizara el programa RSlink , además el sistema se pondrá en funcionamiento en maquinas virtuales con VM ware workstation.

Plataforma RSlogix 5000

Software RSlink PLC emulado

Entorno de programación RSlogix 5000

CPU simulada

PLC virtual en línea

Para la implementación de la visualización se propone utilizar el programa Factory Talk View en conexión con nuestro PLC simulado.

El protocolo de comunicación usado por los sensores análogos del proyecto es HART las PT100 tienen un transductor que convierte la señal de resistencia en una corriente de 4 a 20 ma, y los sensores de humedad y PH ya tienen esa salida en su empaquetamiento industrial.

Carlos Antonio Sánchez Arias Estudiante 4 punto 2

Para realizar la adquisición de datos para la instrumentación y la comunicación y comunicación para envió de la información al computador, lo haremos por medio de una placa Arduino que servirá como una placa de control y adquisición de datos con el software LabVIEW el cual servirá como receptor de información y de visualización. Además, será necesario instalar el complemento NI Visa para que sea compactible el arduino con labview.

Para configurar LabVIEW con Arduino se necesita tener en nuestro ordenador instalado los siguientes programas: LabVIEW. VI Package Manager. Arduino IDE. Ni Visa. (National Instruments).

Luego de tener los softwares necesarios instalado en nuestro ordenador procedemos a realizar la comunicación entre LabVIEW y Arduino,

Punto 3 Cada estudiante realiza gráficas en el tiempo de la instrumentación planteada. Leslie Wander Marulanda Rivera Estudiante 1 punto 3

Luis Fernando Calle Jaramillo Estudiante 2 punto 3

Nerley Adrian Giraldo Gómez 3 punto 3 Para visualizar la información atreves del tiempo esta se visualizara en histogramas las cuales almacenan el comportamiento de las variables, se tiene una grafica para el comportamiento de la señal durante el día y otra durante la noche, también tenemos una para la humedad y otra para el PH.

Pantallas tipo histograma para seguir las variables análogas

Carlos Antonio Sánchez Arias estudiante 4 punto 3

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Punto 4 Enlace del video explicando el sistema.

En este punto es importante aclara que el video tiene la restricción de no poder usar el Word o su trabajo para explicar. Acá deben realizar una demostración de lo implementado o simulado del sistema de adquisición de datos, del protocolo de comunicaciones y el registro en el tiempo de los sensores en la interfaz gráfica. NO SE PERMITE USAR EN EL VIDEO EL TRABAJO EN WORD O PDF PARA EXPLICAR.

Link video Nerley Adrian Giraldo Gómez estudiante 3

https://youtu.be/8WxtN_DWHX8

Link video Luis Fernando Calle estudiante 4 https://campus16.unad.edu.co/ecbti59/pluginfile.php/2342/mod_forum/ post/227718/Video.MOV

CONCLUSIONES -Se logra consolidar una propuesta solida para la automatización del invernadero -Se crean pantallas para visualización de las variables en el tiempo (histograma) -Se comprenden los diferentes protocolos de comunicación industrial y de prototipo que hay en el mercado, con sus ventajas y desventajas. -Se realiza la presentación básica del funcionamiento del proyecto en video.

REFERENCIAS

1 Creus, A. (2005). Instrumentación industrial. Recuperado de https://ebookcentral-proquestcom.bibliotecavirtual.unad.edu.co/lib/unadsp/reader.action?d ocID=3175373&ppg=22

2

Qué es un acondicionador de señal, 23-10-2019, Tomado de:

https://www.hbm.com/es/7339/que-es-un-acondicionadorde-senal-funciones/

3

Tomado de wikipedía el 23-10-2019:

https://es.wikipedia.org/wiki/Conversor_de_se%C3%B1al_an al%C3%B3gica_a_digital

4

Convertidores analógicos-digitales. 23-10-2019 Tomado de:

http://www.ifent.org/Lecciones/digitales/secuenciales/Convert A_D.htm

5 Puente de Wheatston, Tomado el 23-10-2019, DR: Hector Hugo Torres Ortega, tomado de: https://hetpro-store.com/TUTORIALES/puente-dewheatstone/

6

Tomado el 23-10-2019 de:

http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/articulos/agosto-06.pdf

7

Imagen tomada el 27-10-2019 de la pagina:

https://www.indiamart.com/proddetail/factory-talk-viewscada-system-18747038488.html

8 Factory Talk View SE comunicando con RSLogix Emulate 5000, 11 de Febrero del 2013, tomada el 28102019 de: https://plc-hmi-scadas.com/074.php