Henry Mendiburu Díaz

Introducción: A continuación se hace la presentación del libro “Instrumentación Virtual Industrial”, mediante el desarrollo de una monografía que encierra los principales puntos abordados en dicha obra.

1. RESUMEN

Entre los temas tratados en este libro tenemos una introducción a la instrumentación industrial y a los procedimientos de calibración de instrumentos; diagramas, símbolos y representaciones gráficas de instrumentación; sistemas de control automático, métodos y estrategias de control, sistemas de automatización; generalidades acerca de la instrumentación virtual, adquisición de datos, digitalización de señales, diseño de instrumentos virtuales; redes y comunicaciones industriales, procesamiento de datos en tiempo real, buses de comunicación para IV, hardware y software utilizado para IV; así como ejemplos de aplicaciones de instrumentación virtual

2. INTRODUCCION A LA INSTRUMENTACION VIRTUAL

Muchas veces la realización de una medida requiere la intervención de varios instrumentos, unos generan estímulos sobre el dispositivo que se pretende medir y otros recogen la respuesta a estos estímulos. Este conjunto de instrumentos que hace posible la realización de la medida recibe el nombre de sistema de instrumentación. Todo sistema de instrumentación consta de unos instrumentos, un sistema de interconexión de estos instrumentos y un controlador inteligente que gestiona el funcionamiento de todo el sistema y da las órdenes para que una medida se realice correctamente.

El concepto de instrumentación virtual nace a partir del uso de la computadora personal, como forma de reemplazar equipos físicos por software, permite a los usuarios interactuar con la computadora como si estuviesen utilizando un instrumento real. El usuario manipula un instrumento que no es real, se ejecuta en una computadora, tiene sus características definidas por software pero realiza las mismas funciones que un equipo real,

La idea es sustituir y ampliar elementos "hardware" por otros "software", para ello se emplea un procesador que ejecute un programa específico, este programa se comunica con los dispositivos para configurarlos y leer sus medidas. En muchas ocasiones el usuario final del sistema de instrumentación sólo ve la representación gráfica de los indicadores y botones de control virtuales en la pantalla del ordenador.

El concepto de instrumentación virtual implica adquisición de señales,  el procesamiento, análisis, almacenamiento, distribución y despliegue de los datos e información relacionados con la medición de una o varias señales, interfaz hombre-máquina, visualización, monitoreo y supervisación remota del proceso, la comunicación con otros equipos, etc.

Un sistema de instrumentación virtual esta enfocado a los instrumentos encargados de medir señales, registrar datos y decidir las acciones de control, evidentemente, se requiere de una etapa de actuación, que conforma la interfaz entre la computadora y el sistema a controlar, por tanto esta etapa implicará drivers de potencia o transductores de señal especiales. Además, existen otras etapas auxiliares que no intervienen en el proceso de medida, como es el caso del subsistema de alimentación.

Los inicios de la instrumentación controlable desde el ordenador, y de hecho de los sistemas de instrumentación, se sitúan a mediados de los años 60 cuando Hewlett Packard, desarrolló su bus para instrumentación HP-IB (Hewlett Packard Interface Bus) que permitía conectar su gama de instrumentos programables a un ordenador. Esta interfase ganó rápidamente gran popularidad y en 1975 fue aceptada como un estándar: el IEEE-488. Desde aquellos días hasta ahora el estándar ha sufrido varias modificaciones y el bus GPIB (acrónimo de General Purpose Interface Bus, por el que  se le conoce habitualmente) se ha convertido en uno de los más populares en el campo de la instrumentación programable. La instrumentación virtual es un concepto introducido por la compañía Nacional Instruments el año 2001, los cuales crearon un software que le permitía a la computadora realizar mediciones.

El término "virtual" nace a partir del hecho de que cuando se utiliza el PC como "instrumento" es el usuario mismo quién, a través del software, define su funcionalidad y "apariencia" y por ello decimos que "virtualizamos" el instrumento, ya que su funcionalidad puede ser definida una y otra vez por el usuario y no por el fabricante.

La modelación de la realidad que tiene lugar como resultado la simulación, no constituye un elemento determinante para penetrar en la esencia de la misma y llegar a conocerla, es necesario el empleo de procedimientos que la complementen metodológicamente, y alcanzar entonces los objetivos y la escenificación de la misma. La simulación o virtualización consiste por tanto en la representación de la realidad

3. DISEÑO DE INSTRUMENTOS VIRTUALES

Para construir un instrumento virtual, sólo requerimos de una PC, una tarjeta de adquisición de datos con acondicionamiento de señales (PCMCIA, ISA, XT, PCI, etc.) y el software apropiado.

Un instrumento virtual debe realizar como mínimo las tres funciones básicas de un instrumento convencional: adquisición, análisis y presentación de datos.

La instrumentación virtual puede también ser implementada en equipos móviles (laptops), equipos distribuidos en campo (RS-485), equipos a distancia (conectados vía radio, Internet, etc.), o equipos industriales (NEMA 4X, etc.).

Existe una tarjeta de adquisición de datos para casi cualquier bus o canal de comunicación en PC (ISA, PCI, USB, serial RS-232, RS-422, paralelo EPP, PCMCIA, CompactPCI, PC/104, VMEbus, CAMAC, PXI, VXI GPIB, etc.), y existe un driver para casi cualquier sistema operativo (WIN /3.1 /95 /2000 /XP /NT, DOS, Unix, Linux, MAC OS, etc.).

Algunos programas especializados en este campo son LabVIEW,  Agilent-VEE (antes HP-VEE), Cyber Tools, Beta Instruments Manager, Matlab Simulink, etc. 

Ruido del sistema

Idealmente, una señal que es digitalizada y entregada por un instrumento virtual  es la misma señal que es ingresada al instrumento. Frecuentemente se pueden atribuir las diferencias entre las señales de entrada y salida al ruido del sistema, el cual proviene de un diverso número de fuentes, incluyendo el medio ambiente y el instrumento mismo.

El diseño de un instrumento virtual requiere que se comprenda como el ruido puede afectar la adquisición de datos, el diseño del hardware y el medio ambiente.

Si no se entienden las preocupaciones relativas tales como la interferencia electromagnética (EMI), manejo de la fuente de potencia, puesta a tierra, la configuración electrónica, etc., entonces no se puede diseñar un instrumento que sea exacto dentro de un medio ambiente eléctricamente ruidoso.

Para conseguir determinar el ruido en un sistema con instrumentación virtual, se debe seguir los siguientes pasos:

• Primeramente se deben poner a tierra las entradas del instrumento y medir cualquier señal de ruido remanente.

• Seleccione un canal de entrada del instrumento y conecte las entradas positivas y negativas a la tierra del mismo. Se deberán conectar las entradas del conector del instrumento tan cerca del conector como sea posible a fin de reducir cualquier acoplamiento de ruido externo sobre la conexión.

• Configure el instrumento para adquirir un millón o más de datos a la deseada velocidad de muestreo. Repase sólo los códigos binarios entregados por el instrumento.

• Ahora cuente cada vez que ocurre un código binario y coloque la información en un histograma. Para un instrumento de 16 bits, su histograma posee 216 intervalos y cada intervalo contiene la cantidad de veces que fue contado el código binario en particular.

• Luego se deberá normalizar los datos adquiridos. Debido a que el instrumento no es ideal, se deberán buscar las desviaciones de los datos con respecto al cero. Para normalizar los datos se debe dividir el número de ocurrencias en cada intervalo por el número total de muestras adquiridas. Esto provee un valor normalizado que representa la probabilidad de ocurrencia de un código en particular.

• Para determinar el peor ruido, se debe encontrar el código que posea la mayor probabilidad y compararlo con el código que se halle más lejos y posea la menor probabilidad. La diferencia entre los dos en LSBs es el mayor ruido del instrumento.

Inexactitud absoluta

La inexactitud absoluta de un instrumento virtual es la máxima diferencia entre el valor medida entregado por el instrumento y el valor real aplicado en su entrada.

Típicamente, un fabricante provee información de la exactitud absoluta para cada rango de entradas y modos que el instrumento puede manejar.

Las tablas de exactitud absoluta a menudo incluyen información de la exactitud basadas en el período transcurrido desde la última calibración del instrumento. Esta variación de la exactitud con el transcurso del tiempo se debe a la desgaste de los componentes electrónicos que constituyen el instrumento.

Para tener en cuenta este desgaste, se debe calibrar el instrumento a intervalos de tiempo determinados siguiendo un cronograma de actividades.

Exactitud absoluta

Las especificaciones de exactitud absolutas ayudan a determinar la incertidumbre general de las mediciones. La habilidad del instrumento para medir con exactitud una magnitud física varía con una serie de factores, tales como: tiempo en servicio, temperatura, humedad, exposición al medio ambiente y abuso.

Para verificar la exactitud absoluta de un instrumento virtual, se deben seguir los siguientes pasos:

• Utilice la tabla de exactitud absoluta proporcionada por el fabricante y calcule la exactitud para una entrada en particular. En muchos casos, se eligen puntos de ensayo cerca de los fondos de escala negativos y positivos del rango de entrada así como también el cero.

• Utilice una fuente de precisión y entre el valor a ensayar al instrumento.

• Compare las mediciones del instrumento con la exactitud calculada en el primer paso. Un instrumento diseñado adecuadamente que se halla calibrado provee resultados de mediciones que cumplen con las especificaciones de exactitud absoluta publicadas por el fabricante.

4. CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS VIRTUALES

La calibración cuantifica la incertidumbre en la medición comparando las mediciones con una norma conocida. Esto verifica que el instrumento se halla operando dentro de especificaciones establecidas.

Durante algún tiempo los usuarios comprendieron la necesidad de calibrar instrumentos tradicionales. Los mismos principios se aplican a mediciones realizadas con computadoras. Se deberían seleccionar instrumentos virtuales que provean herramientas para realizar tanto calibraciones internas (conocidas como auto-calibraciones), como calibraciones externas.

Las opciones de calibración externa e interna ofrecen dos beneficios diferentes: con la calibración externa se puede asegurar que la exactitud de la medición está sujeta a una norma conocida. Con la calibración interna, se puede ajustar el instrumento para ser utilizado en medios ambientes diferentes a los cuales se realizó la calibración externa.

La calibración externa requiere el uso de fuentes de alta precisión, también conocidas como patrones. Durante una calibración externa, las constantes de calibración a bordo y las referencias se ajustan con respecto a las constantes patrón externas. La calibración externa se reserva a laboratorios de metrología u otras instituciones que mantengan normas verificables. Una vez que se completó la calibración externa, las nuevas constantes de calibración se almacenan en un área protegida de la memoria de los instrumentos y no pueden ser modificadas por el usuario. Esto protege la integridad de la calibración de la adulteración.

Debido a que la calibración interna no se basa en patrones externos, es un método mucho más simple. Con la calibración interna, las constantes de calibración del instrumento se ajustan con respecto a referencias precisas existentes en el mismo. Luego de que se calibró externamente el instrumento y colocado en un medio ambiente donde las variables externas, tales como temperatura, difieren de las del medio ambiente original, se puede utilizar este tipo de calibración. Finalmente, a diferencia de la calibración externa, se puede realizar una calibración interna en cualquier momento utilizando funciones del software que son provistas con el manejador de la placa del instrumento.

5. TEMAS Y CONTENIDOS

Capítulo I: INSTRUMENTACIÓN Y CALIBRACIÓN

1. Introducción a la instrumentación

2. Introducción a la calibración

3. Definiciones generales

4. Instrumentos industriales

5. Errores de medición

6. Procedimientos de calibración

Capítulo II: SIMBOLOGÍA INDUSTRIAL

1. Introducción a la simbología industrial

2. Simbología de figuras

3. Simbología de líneas

4. Símbolos de válvulas y actuadores

5. Diagramas de instrumentación

6. Simbolismo de funciones

7. Identificación de instrumentos

Capítulo III: SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO

1. Definiciones básicas

2. Elementos de un sistema de control automático

3. Características del control

4. Métodos de control

5. Estrategias de control

6. Sistemas Scada

7. Sistemas de automatización

Capítulo IV: INSTRUMENTACIÓN  VIRTUAL

1. Introducción a la instrumentación virtual

2. Adquisición de datos

3. Digitalización de señales

4. Diseño y  selección de tarjetas DAQ

5. Diseño de instrumentos virtuales

Capítulo V: COMUNICACIONES Y TRANSMISIÓN DE DATOS

1. Redes industriales

2. Comunicaciones industriales

3. Procesamiento de datos en tiempo real

4. Bus de comunicaciones para instrumentación

Capítulo VI: HARDWARE Y SOFTWARE PARA  INSTRUMENTACIÓN VIRUAL

1. Hardware para instrumentación virtual       

         1.1. Computadoras industriales

         1.2. Puertos de comunicaciones

         1.3. Sensores y DAQs

         1.4. Tarjetas de adquisición

         1.5. Dispositivos adicionales

2. Software para instrumentación virtual

         2.1. Cyber tools

         2.2. DasyLab

         2.3. LabView

         2.4. Matlab Simulink

         2.5. Otros softwares para adquisición y procesamiento de datos

Capítulo VII: APLICACIONES DE INSTRUMENTACIÓN  VIRTUAL

1. Introducción

2. Adquisición y análisis de electrocardiogramas

3. Medidor virtual de energía eléctrica

4. Identificación de sistemas o procesos

5. Simulador de sistemas educativos

6. Implementación de un controlador PID

7. Desarrollo de filtros digitales

6. BIBLIOGRAFIA

Biel Solé, D.; Olivé Duran, J.; Prat Tasias, J.; Sánchez Robert, F. J.

“Instrumentación Virtual. Adquisición, procesado y análisis de señales”

UPC, Barcelona, 2001

Helfrick, A. D.; Cooper, W. D

“Modern electronic instrumentation and measurement techniques”

Prentice-Hall, USA, 1990

Oppenheim, A.V.; Schafer,R.W.

"Discrete-Time signal processing"

Englewood Cliffs, USA; 1987

Szklanny S. ; Behrends, C.

“Sistemas Digitales de Control de Procesos”

Editorial Control S.R.L. Argentina, 1994

Wolf, S.; Smith, R.

“Guía para mediciones electrónicas y prácticas de laboratorio”

Prentice Hall Hispanoamericana, 1992

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“Instrumentación Virtual Industrial”, Copyright by Henry Mendiburu Díaz

Derechos reservados conforme a Ley (Indecopi/Perú), Julio/2006, 180 páginas

Para mayor información consultar:

http://hamd.galeon.com

henrymendiburu@hotmail.com

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