PROGRAMACIÓN VISUAL

ADQUISICIÓN DE DATOS ANALÓGICOS Y DIGITALES

Hernández Tequextle Cervando rafael

Ing. Electrónica

ADQUISICIÓN DE DATOS ANALÓGICOS Y DIGITALESLos sistemas de adquisición de datos nos ayudan a medir información presentada en forma digital

o analógica.

Las señales digitales pueden venir de una variedad de fuentes tales como: interruptores, relevadores, interfaces compatibles con niveles TTL, etc. Con la interfase apropiada se pueden directamente por la computadora

Las señales analógicas vienen de diferentes instrumentos, sensores o transductores que convierten energía en forma de presión, posición o temperatura envoltaje

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 otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en 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).

Los sistemas de adquisición de datos, como su nombre indica, son los productos y/o procesos utilizados para recopilar información para documentar o analizar un fenómeno. De la forma más simple, un técnico, registrando la temperatura de un horno en un papel está realizando una adquisición de datos. Como la tecnología ha avanzado, este tipo de proceso se ha simplificado y hecho más preciso, versátil y fiable a través de equipos electrónicos. Diferentes rangos de registradores, desde simples a sofisticados sistemas informáticos. Los productos de adquisición de datos sirven como un punto focal en un sistema, uniendo una amplia variedad de productos, tales como sensores que indican la temperatura, caudal, nivel o presión. Algunos términos comunes en la adquisición de datos se muestran a continuación:

Analógico-Digital (ADC)Un dispositivo electrónico que convierte señales analógicas a una forma digital equivalente. El convertidor de analógico a digital es el corazón de la mayoría de los sistemas de adquisición de datos.

Convertidor Digital-Analógico (D/A)Un componente electrónico se encuentra en muchos dispositivos de adquisición de datos que producen una señal de salida analógica.

Digital Input/Output (DIO)Se refiere a un tipo de señal de adquisición de datos. Digital I/O son señales discretas, que son uno de los dos estados. Estos estados pueden ser de encendido/apagado, alto/bajo, 1/0, etc Digital I/O también se les conoce como binarios I/O.

Entrada Simple (SE)Se refiere a la forma en que el cable de la señal es conectado a un dispositivo de adquisición de datos. Con una sola terminal de cableado, cada entrada analógica tiene una conexión única, pero todos los canales comparten una conexión a tierra común. Los dispositivos de adquisición de datos tienen o entradas simples o entradas diferencial. Muchos aceptan ambas configuraciones.

Entrada DiferencialSe refiere a la forma en que el cable de la señal es conectado a un dispositivo de adquisición de datos. Entradas diferenciales tienen una conexión positiva y negativa para cada canal. Los dispositivos de adquisición de datos o bien tienen entradas simple o diferencial, muchos dispositivos soportan ambas configuraciones.

General Purpose Interface Bus (GPIB)Sinónimo de HPIB (por Hewlett-Packard), el bus estándar que se utiliza para el control de instrumentos electrónicos con un ordenador. También llamado IEEE 488 en referencia a la definición de ANSI / IEEE.

SISTEMAS ELECTRÓNICOS DEDICADOS A LA ADQUISICIÓN DE DATOS Tipos de Sistemas de Adquisición de Datos

Sistemas de Adquisición de Datos Wireless.

Los sistemas inalámbricos de adquisición de datos pueden eliminar el costo de la instalación y el tiempo requerido para cablear todos los sensores. Estos sistemas constan de uno o más transmisores inalámbricos enviando datos a un receptor inalámbrico conectado a un ordenador remoto. Los transmisores inalámbricos están disponibles para temperatura ambiente, humedad relativa, presión barométrica, presión de línea, infrarrojos, termopares, RTD, pH, sensores de pulso de salida de 4 a 20 mA transmisores y transductores con salida de voltaje. Los receptores pueden ser conectados al puerto USB o Ethernet del PC.

Sistemas de Comunicación en Serie, Sistemas de Adquisición de Datos

Los sistemas de comunicación en serie para los sistemas de adquisición de datos son una buena elección cuando la medición debe hacerse en un lugar que está distante del ordenador. Hay varios estándares de comunicación , RS232 es la más común pero sólo soporta comunicación de punto a punto y las distancias son relativamente cortas. RS485 soporta distancias de transmisión de hasta 1500 metros con un o dos pares de cables, también permite compartir hasta 32 dispositivos el mismo bus.

Sistemas de Adquisición de Datos USB.

El Bus Serie Universal (USB) es un nuevo estándar para conectar PCs a dispositivos periféricos tales como impresoras, monitores, módems y dispositivos de adquisición de datos. USB ofrece varias ventajas sobre las conexiones convencionales en serie y en paralelo, incluyendo un mayor ancho de banda (hasta 12 Mbits / s) y la capacidad de proporcionar energía al dispositivo periférico. USB es ideal para la adquisición de diferentes datos. Desde que los USB suministran energía, sólo se necesita un cable para conectar el dispositivo de adquisición de datos en el PC, que muy probablemente tiene al menos un puerto USB.

Sistemas de Adquisición de Datos Ethernet.

Los sistemas de adquisición de datos Ethernet son una opción popular para muchos usuarios. La mayoría de las instalaciones industriales y comerciales tienen cables de red Ethernet instaladas, lo que permite la integración de un sistema de adquisición de datos distribuido sin el costo del cableado adicional.

Muchos dispositivos Ethernet incorporan un servidor web lo que significa que transmiten su propia página web para presentar los datos adquiridos. Esto puede ser visto por cualquier usuario con un navegador web estándar con lo que el software adicional no tiene por qué ser aprendido o adquirido. 

Otra ventaja de utilizar Ethernet es que los datos pueden ser fácilmente compartidos entre los usuarios del Newtork local y también a través de Internet a los usuarios autorizados en todo el mundo. Un ejemplo de los dispositivos de adquisición de datos Ethernet recogiendo datos de diferentescontinentes

Sistema de Adquisición de Datos Plug-in Boards (Integrados). 

Las tarjetas de adquisición de datos informáticos se conectan directamente al bus de ordenador. Las ventajas del uso de las tarjetas son, la velocidad (debido a que están conectadas directamente al bus) y el coste (debido a la sobrecarga del embalaje y la potencia es suministrada por el ordenador). Las tarjetas ofrecidas son principalmente para el IBM PC y ordenadores compatibles. Las características proporcionadas por las tarjetas pueden variar dependiendo del, número y tipo de entradas (tensión, termopar, digital), salidas, velocidad y otras funciones previstas. Cada tarjeta instalada en el equipo se dirige a un único mapa de ubicación Entrada / Salida. El mapa de E/S en el ordenador, proporciona las ubicaciones de dirección que el procesador utiliza para obtener acceso al dispositivo específico como requiere su programa.

DESCRIPCION DEL HARDWARE DAQ

Un sistema DAQ está formado por tres tipos básicos de hardware, un bloque Terminal, un cable y un instrumento DAQ. Este apartado describe cada tipo de hardware, se centra en la función que desempeñan los componentes del instrumento DAQ.

1.- señal 2.- bloque terminal 3.- cable 4.- instrumento DAQ 5.- PC

Después de convertir el fenómeno físico en una señal mensurable con o sin acondicionarla, se debe adquirir esa señal. Para adquirir la señal es necesario un bloque Terminal, un cable, un dispositivo DAQ y un PC. Esta combinación de hardware puede transformar un PC estándar en un sistema de medición y automatización.

El Bloque Terminal y el Cable

El bloque Terminal consiste en unos terminales de conexión para las señales y otro conector para poder conectarlo al dispositivo DAQ. Estos bloques terminales tienen 100, 68 o 50 terminales. El tipo que se debe elegir depende de dos factores, el dispositivo y el número de señales a

medir. Un bloque de 68 terminales tiene más terminales de tierra que uno de 50. Al tener más terminales de tierra la probabilidad de tener interferencias entre señales disminuye. Los bloques terminales pueden ser blindados o no-blindados, los blindados ofrecen una mayor protección contra el ruido. A continuación se muestra el layout de las terminales del bloque Terminal.

1.-señal 2.- bloque terminal 3.-cable 4 conector de 68-pines

El cable lleva la señal del bloque Terminal al dispositivo DAQ.

Accesorio de señales DAQ

Dispositivo DAQ

Los dispositivos DAQ tienen cuatro elementos estándares: entradas analógicas, salidas analógicas, E/S digitales y contadores. Los dispositivos

DAQ más comunes de National Instruments son de las series E y M. La serie E consta de 16 entradas analógicas, 2 salidas analógicas, 8 líneas digitales de E/S y 2 contadores. La serie M se diferencia de la serie E por tener 24 líneas digitales de E/S y dos contadores/temporizadores. Se puede transferir la señal que se mide con el dispositivo DAQ al PC a través de diferentes estructuras de buses. Si no se dispone de un dispositivo DAQ se puede simular uno mediante el “Measurement and Automation Explorer”.

COMPONENTES DE UN DISPOSITIVO DAQ

En la siguiente ilustración se pueden apreciar los componentes de un dispositivo DAQ.

Interfaces

Un típico dispositivo DAQ tiene 3 interfaces para recibir y enviar señales: el conector de entradas y salidas, la Circuitería de interfaz E/S del PC y ”Real time System integration” (RTSI) Bus.

Conector E/S-- El conector E/S es el medio por el cual las señales entran y salen del dispositivo DAQ. El conector tiene 100, 68, 50 pines dependiendo del dispositivo. Un extremo del cable se conecta al conector E/S y el otro extremo al bloque Terminal.

Circuiteria de interfaz E/S del PC—transfieren la información entre el DAQ y el PC se pueden diferenciar dependiendo del protocolo de bus que se utilice.

Bus RTSI—Comparte y sincroniza señales entre varios DAQ en el mismo ordenador. Por ejemplo, si tenemos dos dispositivos para realizar entradas analógicas al mismo tiempo, se puede compartir una señal de reloj a través del bus RTSI a los dos dispositivos, por lo tanto usan la misma señal de reloj.

Circuiteria de entrada analógica

Después de entrar por el conector E/S, la señal analógica de entrada pasa a través de la circuiteria de entrada analógica antes de pasar al convertidor analógico digital. La circuiteria consiste en un multiplexor y un amplificador de instrumentación. En la siguiente figura se muestran los detalles de la circuiteria.

Multiplexor: El multiplexor es un switch que conecta solo un canal de entrada, entre varios canales, al amplificador de instrumentación al mismo tiempo. El multiplexor rota la señal haciendo pasar uno cada vez. LabVIEW controla el orden en el que el multiplexor conecta las señales entrantes.

Amplificador de instrumentación: Puede amplificar o atenuar la señal que recibe.

El propósito del amplificador es hacer que la señal se adecue al rango del ADC.

Convertidor analógico a digital (ADC):

El ADC es un dispositivo electrónico que convierte la tensión analógica en un número digital para enviarlo al ordenador para interpretación usando la circuiteria de interfaz de E/S. La circuiteria de entrada analógica combina con el ADC para adquirir una señal analógica para medir el nivel, la forma o la frecuencia de la señal.

En la siguiente ilustración se muestra el ADC.

Convertidor Digital Analógico

Un DAC coge un numero digital que ha sido enviado del ordenador a través de la circuiteria de interfaz E/S del PC, y lo convierte en una señal analógica que es la salida del conector E/S. Un DAC se utiliza para la generación de señales DC, tonos específicos (frecuencias) y formas de onda (formas). Se puede usar la funcionalidad de la salida analógica de un dispositivo DAQ en aplicaciones desde sistemas de control usando un control PID, a controlar servo motores, para generar una serie de tonos específicos para una sirena o alarma. En la siguiente ilustración se ve un DAC.

CONCEPTO DE ACTUADOR, TIPOS Y SUS APLICACIONES Actuador

Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.

Existen varios tipos de actuadores como son:

Electrónicos

Hidráulicos

Neumáticos

Eléctricos

Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.

El actuador rotatorio dependiendo de su diseño, consta de las siguientes partes móviles básicas:

Actuadores electrónicos

Los actuadores electrónicos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento.

Actuadores hidráulicos

Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen tres grandes grupos:

cilindro hidráulico

motor hidráulico

motor hidráulico de oscilación

Partes de un actuador

1. Sistema de "llave de seguridad": Este método de llave de seguridad para la retención de las tapas del actuador, usa una cinta cilíndrica flexible de acero inoxidable en una ranura de deslizamiento labrada a máquina. Esto elimina la concentración de esfuerzos causados por cargas centradas en los tornillos de las tapas y helicoils. Las llaves de seguridad incrementan de gran forma la fuerza del ensamblado del actuador y proveen un cierre de seguridad contra desacoplamientos peligrosos.

2. Piñón con ranura: Esta ranura en la parte superior del piñón provee una transmisión autocentrante, directa para indicadores de posición e interruptores de posición, eliminando el uso de bridas de acoplamiento. (Bajo la norma Namur).

3. Cojinetes de empalme: Estos cojinetes de empalme barrenados y enroscados sirven para simplificar el acoplamiento de accesorios a montar en la parte superior. (Bajo normas ISO 5211 Y VDI).

4. Pase de aire grande: Los conductos internos para el pasaje de aire extra grandes permiten una operación rápida y evita el bloqueo de los mismos.

5. Muñoneras: Una muñonera de nuevo diseño y de máxima duración, permanentemente lubricada, resistente a la corrosión y de fácil reemplazo, extiende la vida del actuador en las aplicaciones más severas.

6. Construcción: Se debe proveer fuerza máxima contra abolladuras, choques y fatiga. Su piñón y cremallera debe ser de gran calibre, debe ser labrado con maquinaria de alta precisión, y elimina el juego para poder obtener posiciones precisas.

7. Ceramigard: Superficie fuerte, resistente a la corrosión, parecida a cerámica. Protege todas las partes del actuador contra desgaste y corrosión.

8. Revestimiento: Un revestimiento doble, para proveer extra protección contra ambientes agresivos.

9. Acople: Acople o desacople de módulos de reposición por resorte, o de seguridad en caso de falla de presión de aire.

10. Tornillos de ajuste de carrera: Provee ajustes para la rotación del piñón en ambas direcciones de viaje; lo que es esencial para toda válvula de cuarto de vuelta.

11. Muñoneras radiales y de carga del piñón: Muñoneras reemplazables que protegen contra cargas verticales. Muñoneras radiales soportan toda carga radial.

12. Sellos del piñón - superior e inferior: Los sellos del piñón están posicionados para minimizar todo hueco posible, para proteger contra la corrosión.

13. Resortes indestructibles de seguridad en caso de falla: Estos resortes son diseñados y fabricados para nunca fallar y posteriormente son protegidos contra la corrosión. Los resortes son clasificados y asignados de forma particular para compensar la pérdida de memoria a la cual está sujeta todo resorte; para una verdadera confianza en caso de falla en el suministro de aire.

REQUISITOS Y ALTERNATIVAS DE PROGRAMACIÓN DE ACTUADORESVELOCIDAD, FUERZA y CONTROL DE POSICIONAMIENTO

VELOCIDAD - la rapidez (normalmente elevada) con la que suceden las cosas

FUERZA - la influencia que provoca un cambio en una cantidad física (fuerza = masa x aceleración)

CONTROL DE POSICIONAMIENTO - un tipo de sistema de control diseñado para mover objetos o máquinas hasta una posición conocida o hasta múltiples posiciones (a menudo ligado al nombre “precisión”) Tres características de rendimiento que suelen utilizarse cuando se describen los beneficios de la actuación eléctrica.

Actuador: en general, un dispositivo mecánico que coge la energía, normalmente transportada por el aire, la corriente eléctrica o un líquido, y la convierte en cierta clase de movimiento. (Fuente de información: Wikipedia)

Así pues, ¿son mejores los actuadores eléctricos que las opciones neumáticas?

La respuesta es sencilla – ¡depende totalmente de la aplicación!

A la hora de elegir entre actuadores neumáticos o eléctricos para sus necesidades de control de automatización, la aplicación y el lugar específico en el que ésta se llevará a cabo son los que, en última instancia, le ayudarán a determinar su elección.

Ambas tecnologías poseen ventajas y desventajas.

Actuadores neumáticos:

• son relativamente económicos

• ofrecen una mayor vida útil (en términos de ciclos)

• son excelentes para aplicaciones de movimiento continuo de extremo a extremo

• ofrecen elevada velocidad y elevada fuerza

• son relativamente fáciles de utilizar y mantener

• no requieren una complicada programación

Actuadores eléctricos:

• ofrecen mayores niveles de precisión y repetitividad

• son más limpios, suaves y silenciosos

• proporcionan un verdadero control del movimiento: movimiento multi-posición, sincronizado y control de velocidad y fuerza

• no requieren aire comprimido para funcionar

Nuestro completo catálogo de productos, que actualmente contiene más de 11.000 productos básicos, ha sido específicamente desarrollado para la automatización de las fábricas y para satisfacer las necesidades de la industria de procesamiento. Como líderes mundiales, hemos desarrollado una completa gama de actuadores neumáticos y eléctricos para las aplicaciones más exigentes. Además, nuestros expertos estarán siempre a su disposición para proporcionarle guía y consejo experimentado.

La nueva gama de actuadores eléctricos de la serie LE añade simplicidad de uso a los beneficios convencionales de los actuadores eléctricos.

Fuerza, velocidad y posicionamiento regulables (64 puntos) para adaptarse a cualquier posible aplicación.

La nueva serie LEC de controladores se entrega con los parámetros del actuador ya configurados, reduciendo así el tiempo y la complejidad de la configuración inicial.

La optimizada combinación de tamaño compacto y características mecánicas hacen que estos actuadores resulten ideales para un amplio rango de aplicaciones.

Las funciones incorporadas, como la prevención de caídas o la verificación del amarre, aportan la máxima seguridad.

Funciones de ahorro energético: Pinzas: función de autobloqueo Actuadores: reducido consumo de potencia