CLASE CUATRO

SENSORES

• Sensores y actuadores son ejemplos de transductores

 Un transductor es un dispositivo que convierte energía de tipo calórica, lumínica, acústica, presión, movimiento, caudal, etc. a otra generalmente eléctrica para poder medirla y eventualmente controlarla en forma relativamente fácil

Sensor: Transductor de entrada 

• Criterios de Clasificación de Sensores 

– Según requerimientos de fuente de energía 

• Activos ó Pasivos 

– Naturaleza de la señal de salida 

• Digitales ó Analógicos 

– Naturaleza de la magnitud a medir 

• Mecánicos, Térmicos, Magnéticos, Químicos, etc. 

– Variable física de medida 

• Resistivo, Inductivo, Capacitivo, Piezoeléctrico, etc.

• Sensores Pasivos o Autogenerativos

 – Generan directamente una señal eléctrica en respuesta a un estímulo externo sin la necesidad de una fuente de energía externa. Toman energía del estímulo. 

• Termocouplas, Sensores Piezoelectricos, etc.

• Sensores Activos o Modulantes 

– Requieren fuente de energía externa o una señal de excitación para poder funcionar. 

• Termistor, Inductor, etc

• Sensores Analógicos

 – Proveen una señal continua tanto en magnitud como en contenido espacial o temporal

 • Temperatura, desplazamiento, intensidad lumínica, etc. 

Sensores Digitales 

La salida toma la forma de escalones o estados discretos. Contacto (switch), encoder, etc

Parámetros de los Sensores

 Campo de Medida, Rango (Range) 

– valores máximo y mínimo que pueden ser medidos 

Alcance (Span)

 – Diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. 

Error

 – Diferencia entre el valor medido y el valor verdadero 

– Error absoluto = resultado– valor verdadero 

– Error relativo = error absoluto / valor verdadero

•Errores sistemáticos

  •Son resultado de una variedad de factores

      •Interferir o modificar variables (temperatura) 

     •Drift (cambios en la estructura física o química) 

     •El proceso de medida hace variar la magnitud (transmisor)

     •El medio de transmisión hace variar la señal (atenuación) 

     •Errores humanos

    •Pueden ser corregidos con métodos de compensación

• Errores aleatorios 

– También denominado ruido: señal que no contiene información 

– Error aleatorio verdadero (ruido blanco) 

• Ruido ambiente (tomado por un micrófono) 

• Interferencia electromagnética 

• La relación señal ruido debe ser >>1

Autómata programable (PLC)

 El PLC es un aparato electrónico, programable por  un usuario y destinado a gobernar, máquinas  o procesos lógicos secuenciales. El término PLC significa Controlador Lógico Programable aunque una  definición más exacta  “Sistema Industrial  de Control  Automático” que trabaja bajo una secuencia  de instrucciones  lógicas, almacenada en memoria.

Es un “Sistema ” porque contiene todo lo necesario para operar, “Industrial ” por tener los requisitos necesarios  para trabajar en ambientes hostiles, y “Control  Automático” se refiere a la posibilidad de comparar las señales provenientes del equipo controlado con algunas reglas programadas con anterioridad para emitir señales de control y mantener la  operación estable de dicho equipo

Un PLC se compone básicamente de las siguientes  partes: 

• CPU o Unidad de Proceso Lógico, que en el caso del PLC reside en un circuito integrado denominado  Microprocesador o Microcontrolador,  y es el encargado de controlar las operaciones del mismo 

•  El CPU se especifica mediante el tiempo que requiere en procesar 1K de instrucciones, y por el número  de operaciones diferentes que puede procesar,  normalmente el primer valor va desde menos de un  milisegundo a unas decenas de milisegundos, y el segundo de 40 a más de 200 operaciones diferentes 

• Después de procesar las instrucciones, el PLC se comunica externamente, realiza funciones de mantenimiento, actualiza las salidas y por último lee las entradas. Con lo que el tiempo de proceso total, puede llegar a ser el doble del de ejecución del programa.

•   Memoria: Es el lugar de residencia tanto del programa como de los datos que se van obteniendo durante  la ejecución del programa.

•  Existen dos tipos de memoria según  su ubicación:  la residente, que está junto o en el CPU  y, la memoria exterior, que puede ser retirada por el  usuario para su  modificación o copia. . De este último tipo existen  volátil (RAM, EEPROM) y, no volátil (EPROM), según  la aplicación. Generalmente las memorias empleadas en los programas van de 1 a 128 K.

• Procesador de comunicaciones:  Las comunicaciones del CPU se llevan a cabo por un circuito especializado  con protocolos de tipo RS-232C, RS-485, Profibus, etc. según el fabricante y la sofisticación del PLC. 

•  Entradas y salidas: Para llevar a cabo la comparación necesaria en un control  automático,  es preciso que el PLC tenga  comunicación al exterior.  Esto se logra mediante una interfase de entradas y salidas, el número de entradas y salidas va desde 6 en los PLC  de tipo micro, a varios cientos en PLC modulares. 

• Tarjetas modulares inteligentes: Existen para los PLC modulares, tarjetas con funciones específicas  que relevan al microprocesador de las tareas que requieren  gran velocidad o gran exactitud 

             Estas tarjetas se denominan inteligentes por contener un microprocesador dentro                  de ellas  para su funcionamiento propio. 

             Fuente de poder: Se requiere la fuente de voltaje para la operación de  todos los                  componentes mencionados anteriormente, pudiendo ser  externa o interna.

INTRODUCCIÓN A HMI

(Interfaz Hombre Máquina)

La sigla es la abreviación en ingles de Interfaz Hombre Maquina. Los sistemas HMI 
podemos pensarlos como una "ventana" de proceso. Esta ventana puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o en una computadora. Los sistemas HMI en computadoras se les conoce también como software HMI (en adelante HMI) o de monitoreo y control de supervisión. Las señales del proceso son conducidas al HMI por medio de dispositivos con tarjetas de entrada/salida en la computadora, PLC´s (Controladoras lógicas programables), RTU (Unidades remotas de I/O) o DRIVE´s (Variadores de velocidades de motores). Todos estos dispositivos deben tener una comunicación que entiendan el HMI .

TIPOS DE HMI

• Desarrollos a medida. Se desarrollas en un entorno de programación gráfica como VC++, Visual Basic, Delphi, etc.
• Paquetes enlatados  HMI. Son paquetes de software que contemplan la mayoría de las funciones estándares de los sistemas SCADA. Ejemplo son FIX, WinCC,  Wonderware, etc.

FUNCIONES DE UN SOFTWARE HMI

• Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de  la planta en tiempo real. Estos datos se pueden mostrar como números,  texto o gráficos que permitan una lectura mas fácil de interpretar.
• Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora
• Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del proceso y reportarlo estos eventos. Las alarmas son reportadas basadas en limites de control pre-establecidos
• Control.Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores del proceso y así mantener estos valores dentro de ciertos límites. Control va mas haya del control de supervisión removiendo la necesidad de la interacción humana. Sin embargo  la aplicación de esta función desde un software corriendo en una ¨PC puede quedar limitada  por confiabilidad que quiera obtener del sistema.
• Históricos. Es la capacidad de muestra y almacenar en archivos, datos del proceso a una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es una poderosa herramienta para la optimización y corrección de procesos 

TAREAS DE UN SOFTWARE  DE SUPERVISIÓN Y CONTROL 

• Permitir una comunicación con dispositivos de campo.
• Actualizar una base de datos "Dinámica" con variables del proceso.
• Visualizar las variables mediante pantallas con objetos animados (mímicos)
• Permitir que el operador pueda enviar señales al proceso, mediante botones, controles ON/OFF, ajustes continuos con el mouse o  teclado.
• Supervisar niveles de alarmas y alertar/actuar en caso de que las variables excedan los limites normales.
• Almacenar los valores de la variables para análisis estadísticos y/o control
• Controlar en forma limitada ciertas variables de proceso

TIPOS DE SOFTWARE DE SUPERVISIÓN Y CONTROL

• Lenguajes de programación visual como Visual C++ o Visual Basic. Se utilizan para desarrollar software HMI a medida del usuario. Una vez generado el software el usuario no tiene posibilidad de re-programarlo.
• Paquetes de desarrollo que están orientados a tareas  HMI. Pueden ser utilizados para  desarrollar un HMI a medida del usuario y/o para ejecutar un HMI desarrollado para el usuario.  El usuario podrá re-programarlo si tiene la Llave (Software) como para hacerlo. Ejemplo FIX Dynamics, Wonderware, PCIM, Factory Link, WinCC

Como facilitan las tareas de diseño los paquetes orientados HMI/SCADA

• Incorporan protocolos para comunicarse con los dispositivos de campo mas conocidos. Drivers. OPC
• Tienen herramientas para crear bases de datos dinámicas
• Permiten crear y animar pantallas en forma sencilla
• Incluyen gran cantidad de librería de objetos para representar dispositivos de uso en la industria como: motores, tanques, indicadores, interruptores, etc

Los software HMI están compuestos por un conjunto de programas y archivos. Hay programas para diseño y configuración del sistema y otros  que son el motor mismo del sistema, en la figura 2. se muestra como funciona algunos de los programas y archivos mas importantes. Los rectángulos de la figura representan algunos de los programas y las elipses representan archivos. los programas  que están con recuadro simple representan programas de diseño o configuración del sistemas; los que tienen doble recuadro representan programas que son el motor del HMI.

Con los programas de diseño, como el "editor de pantallas" de crea moldes de pantallas para visualización de datos del proceso. Estos modelos son guardados en archivos "Archivos de pantalla" y almacenan la forma como serán visualizados los datos en la pantalla.

Interfaz Hombre: Es un programa que se encarga de refrescar las variables de la base de datos en la pantalla, y actualizarla, si corresponde, por entradas del teclado o el mouse. Este programa realiza la interfaz entre la base de datos y el hombre. El diseño de esta interfaz esta establecido por el archivo molde "Archivo de pantalla" que debe estar previamente creado

Base de datos: Es un lugar de la memoria de la computadora donde se almacenan los datos requeridos del proceso. Estos datos varían en el  tiempo según cambien los datos del proceso, por esta razón de denomina "base de datos dinámica". la base de datos  esta formada por bloques que pueden estar interconectados. La creación de la base de datos, sus bloques y la relación entre ellos se realiza a través de "Editor de la base de datos".

Driver: La conexión entre los bloques de la base de datos y las señales del proceso se reasaliza por medio de drivers. Estos drivers manejan los protocolos de comunicación entre el HMI y los distintos dispositivos de campo. Los drivers son entonces la interfaz hacia la maquina.

Bloques (Tags): Como ya mencionado , la base de datos esta compuesta por bloques. Para agregar o modificar las características de cada bloque se utiliza de la base de datos. Los bloques pueden recibir información de los drivers u otros bloques y enviar información hacia los drivers u otros bloques.

Las principales funciones de los bloques son:

• Recibir datos de otros bloques o al drivers
• Enviar datos a otros bloques o al dirver
• Establecer enlaces (Link) a la pantalla (Visualización, teclado o mouse)
• Realiza cálculos de acuerdo a instrucciones del bloque
• Comparar los valores con umbrales de alarmas
• Escalar los datos del driver a unidades de ingeniería