En este apartado se pretende dar un repaso a los posibles dispositivos utilizables para la transferencia de datos procedentes de las señales de proceso, a un ordenador donde por medio del software adecuado serán tratados y/o analizados. No es la intención estudiar los diferentes tipos de transductores y sensores que permiten convertir las variables físicas en magnitudes eléctricas hábiles para transmisión, sino enumerar las diferentes técnicas utilizables como interface entre estos elementos de medida y el ordenador. Como a continuación se verá, los actuales procesos productivos y las necesidades de informatización junto al abaratamiento de la microelectrónica han desembocado en una gran variedad de sistemas que posibilitan la transferencia de datos al ordenador aprovechando todos los recursos que su arquitectura ofrece.
Las posibilidades que a continuación se ofrecen de interconexionar ordenadores y elementos de medida y control de la planta, obedecen a las soluciones tecnológicas fruto de diferentes necesidades de automatización y control. Así, pues, no son soluciones equivalentes alternativas sino que muchas de ellas pueden coexistir dentro de un mismo proyecto de automatización o ser excluyentes de acuerdo con las especificaciones del proyecto.
A continuación se abordan éstas técnicas desde el punto de vista de interconexionado con el ordenador :
Conexión directa al Bus del ordenador
La solución más económica por no necesitar de alimentación propia, ni chasis, ni pantalla de visualización la ofrecen las tarjetas de adquisición de datos (TAD) i tarjetas de instrumentación (PCIP).
Tarjetas de adquisición de datos (TAD). Directamente conectables al bus del ordenador, necesitan para su utilización un software específico para su control y configuración o de los drivers suministrados por el fabricante para ser utilizadas desde un paquete estándar de adquisición o control (por ejemplo, LabWindows /CVI).
Por lo general incorporan conversores A/D y D/A que se aplican sobre entradas y salidas analógicas más o menos normalizadas ( 0-10V, ± 10V, ± 5V, 0 50mV, 4-20 mA, 0-20mA, ...) y entradas digitales que posibilitan la comunicación con otros periféricos, generación patrones de test y opciones de control de proceso.
Dependiendo de las necesidades de adquisición, el modo de lectura puede ser programado, ordenado por software periódicamente, o bien la propia tarjeta puede tomar la iniciativa avisando a la CPU cada vez que desee transferir datos al ordenador (interrupción) o depositarlos directamente en la memoria tomando la gestión de los buses (DMA, Direct Memory Acces). Este último caso es el que ofrece prestaciones mayores en cuanto a velocidad de acceso.
Las tarjetas de adquisición son utilizadas en aplicaciones complejas de control en que la potencia de cálculo del ordenador es necesaria, admitiendo de esta forma la potencialidad de cálculo que los paquetes de software actuales ofrecen o la flexibilidad de utilizar algoritmos desarrollados en lenguajes de programación de alto nivel tipos C, C++, Pascal o BASIC.
Para grandes instalaciones, la utilización de placas de expansión de bus y de interfaces permite ampliar el número de entradas y salidas a tratar, llegando a tratar centenares de entradas en sistemas de E/S distribuidas. Estas configuraciones permiten realizar tanto supervisión como control directo de la planta debido a la velocidad de transferencia. A medida que el número de E/S y la longitudes crecen , los sistemas de distribución pasan por la utilización de buses de campo con transmisión serie.
Buses de Instrumentación
Esto son sistemas basados en instrumentos externos ( multímetro, generadores de señal, ...) unidos al ordenador mediante una interfaz estándar de comunicación (buses de instrumentación). Los interfaces más comunes son los siguientes.
GPIB (HP-IB), Bus paralelo basado en el estándar IEEE- 488.2, con capacidad de controlar hasta 15 aparatos desde un mismo controlador (ordenador). Velocidad de transferencia de 1Mbyte/s.
VXI, plataforma derivada del bus VME (bus 32bits), que combina instrumentos y controladores programables con tarjetas en bus de ordenadores. Este sistema combina lo mejor de las estructuras en GPIB y de las basadas en bus VME. Los instrumentos (programables) VXI se montan en chasis y no disponen de panel frontal por lo que van siempre ligados a una aplicación software para la visualización y tratamiento de los datos capturados. En la actualidad coexisten tres posibles configuraciones :GPIB-VXI, MXI, VXI con procesador en chásis.
Comunicación serie
Nos referimos en este apartado a sistemas de control y medida, normalmente autónomos, que incorporan facilidades de comunicación para ser unidos a un ordenador a través de un puerto serie, típicamente a través de interfaces RS- 232 y similares. A continuación se enumeran los dispositivos comerciales que se suministran (opcionalmente) con esta facilidad:
Autómatas programables. Los enlaces ordenador-autómata suelen realizarse bajo interfaces tipo RS-232/422/485 en transmisión asíncrona y con protocolos simplificados de baja velocidad (por ejemplo, 9600/19200 b/s.). Debido al retardo en la adquisición de datos por parte de los autómatas (ciclo de scan), la utilización de un ordenador en conexión con un autómata o una red de éstos básicamente se encuentra en aplicaciones de supervisión (de los autómatas y del proceso). Por su naturaleza, los autómatas ejercen de interface entre los sensores de planta y el ordenador a la vez que contienen y ejecutan su propio programa de acuerdo con las entradas y salidas (analógicas y digitales) de que dispone de forma autónoma. Por su parte el ordenador lee los estados de los autómatas actuando a un nivel superior (decisión) que permite cambiar una estructura de control, la sincronización de procesos, análisis de tendencias, cambio de menús de producción, etc.
Visualizadores y Controladores autónomos. Muchos de los dispositivos de instrumentación habituales que se suministran para ser montados en panel, incorporan como opcional la posibilidad de comunicación seria para su transferencia a un ordenador. De igual forma los controladores autónomos, tipo PID, incorporan ésta facilidad para sus medidas y admiten reconfiguraciones en sus parámetros y consignas ordenados desde el ordenador. Por tanto este tipo de dispositivos deben ser considerados como una alternativa interesante para la adquisición de señales controladas para ejercer algún tipo de supervisión.
Redes de Comunicación: buses de campo.
En este apartado correspondiente a redes de comunicación únicamente consideramos las tipologías más próximas al proceso, pues son éstas las que nos permiten la adquisición de las señales de proceso en tiempo real y las acciones sobre el proceso necesarias. Las arquitecturas de control distribuido se organizan alrededor de los llamados buses de campo de forma que el ordenador queda conectado tanto a los controladores de planta como a los sensores y actuadores y otros periféricos inteligentes con capacidad de comunicación. Estos buses suponen la evolución directa de los dispositivos autónomos comentados en el apartado anterior. Se trata de aprovechar una línea de transmisión serie para interconectar todos los dispositivos de planta (sensores, controladores, visualizadores, pantallas, etc. ) en una arquitectura maestro/esclavo. La interconexión con el ordenador a nivel físico se realiza, por lo habitual, con una línea de datos semidúplex (RS-485) con interfaz de comunicación microprocesado y protocolo propio de cada bus. Su utilización aumenta progresivamente en las aplicaciones de automatización, debido a la posibilidad de transferencia de datos y distribución de tareas. Algunos de los buses industriales más implantados con este propósito son los siguientes:
MODBUS MODICON (GOULD INC.), JBUS (APRIL). Comunicación asíncrona con velocidades de 75 a 19200 baudios. Puede cubrir distancias de 1200m sin repetidores. Transmisión half-duplex con conexión RS-485 o fibra óptica y full-dúplex con conexión RS-422, bucle de corriente (4-20mA), o fibra óptica. Los buses MODBUS y JBUS difieren únicamente en algunos aspectos del protocolo de comunicación utilizado.
BITBUS (Intel), Interconexión física mediante uno (línea de datos RS-485) o dos (línea de datos más transmisión del reloj) pares trenzados. El protocolo está implementado en ROM en el microcontrolador 8044 de Intel. Distancias de 1200m sin repetidores. Adicon, Analog Devices, Eberle, Fanuc, Robotics, Hitachi, Honeywell, Trenan, Phoenix, Westinghouse y otros incorporan este bus para la interconexión de sus productos de campo.
PROFIBUS. Es el bus surgido de la colaboración entre Bosch, Klöckner Möeller, Siemens y posteriormente ABB, AEG, Lands&Gir y otras. El resultado se resume en la norma DIN-19245. La conexión, half-duplex, tipo RS-485 también puede implementarse en fibra óptica y admite enlaces remotos vía módem.
S-BUS. No es propiamente un bus de campo sino un sistema multiplexor-demultiplexor que permite la conexión de entradas y salidas remotas a través de dos pares trenzados. Adoptado por algunos fabricantes europeos de autómatas y de periféricos de entrada /salida.
Otros. Existen otros buses de campo menos extendidos con protocolos
propios que obedecen a iniciativas e intereses de consorcios industriales.
Por ejemplo FIP. (Factory Instrumentation Bus) es la alternativa francesa
a los buses de campo y MIL-STD-1553B ha sido adoptado por algunos fabricantes
americanos.
Software de adquisición de datos y control.
Aún hoy en día es difícil hablar de software adquisición de datos en general. Dos tendencias claras puede diferenciarse en el mercado de este tipo de software, los orientados a sistemas de instrumentación y laboratorio y los productos industriales de control y supervisión. Aunque ambos cumplen la misma funcionalidad básica, la de representar y tratar medidas de señales sobre una pantalla de ordenador con unas restricciones temporales determinadas, el término software de adquisición de datos se relaciona con sistemas de instrumentación y por tanto el acceso a hardware queda en cierto modo restringido a tarjetas de adquisición y instrumentos (a través de buses especializados, GPIB, VXI, VME, ...) mientras que el término SCADA (supervisory control and data acquisition) se ha venido usando en los ambientes de control para designar el software con prestaciones de adquisición, representación y manipulación de información con el objetivo de supervisar un proceso desde un ordenador. En este caso el hardware utilizado para acceder a las variables de proceso han sido tradicionalmente los propios autómatas programables (PLC) utilizados para el control y/o actualmente y cada vez más los dispositivos conectados a buses específicos que envían directamente las medidas al ordenador y a otros sistemas de control.
A grandes rasgos otras diferencia entre los sistemas SCADA y otros paquetes de adquisición de datos es que éstos están más orientados a la recogida rápida de gran cantidad de muestras correspondientes a unas 'pocas' medidas del proceso para ser analizadas o evaluadas a posteriori mientras que los sistemas SCADA están más pensados para realizar adquisiciones periódicas (periodos de adquisición más largos) de un número elevado de señales (medidas) para ser evaluadas y actuar sobre el mismo proceso en caso de ser necesario.
Tipos de software de adquisición de datos.
A continuación se muestra una clasificación del software
de adquisición de datos según la flexibilidad y facilidad
de uso los paquetes software:
- Turnkey Software, son paquetes hechos a medida para determinadas aplicaciones. El usuario no necesita de conocimientos de programación debido a que están diseñados para aplicaciones concretas. Únicamente permiten especificar algunos parámetros de configuración y deben funcionar con el hardware que el fabricante designa. Normalmente el acceso al proceso se realiza mediante tarjetas de adquisición o mediante instrumentos conectados a un puerto del ordenador.
- Language Interface Software, Son librerías de rutinas ofrecidas por algunos fabricantes para manipular productos comerciales directamente conectables al ordenador (por ejemplo tarjetas de adquisición) ya sea través del bus de algún puerto del ordenador o del propio bus. Ofrecen funciones de acceso al hardware para ser utilizadas conjuntamente con lenguajes de programación de alto nivel convencionales (C, C++, BASIC, Pascal). Su utilización pasa por llamadas a estas funciones eliminando tareas de programación a nivel de registros.
- Add On-Tools Software, son aplicaciones que facilitan el acceso a señales de proceso desde aplicaciones comerciales bien conocidas y utilizadas como son hojas de cálculo (Lotus 1 2 3, Excel). Por ejemplo Software Wedge (T.A.L Enterprises) ofrece un producto de interfaces entre Excel i el puerto serie de un ordenador personal. Otro ejemplo lo constituyen las librerías que algunos fabricantes ofrecen para adquisición de datos desde aplicaciones desarrolladas en Visual Basic.
- Source Code Software, es la opción más compleja de acceder al software y a su vez la que permite aprovechar al máximo sus capacidades y optimizar la longitud y velocidad de las aplicaciones. Bajo este calificativo se conocen los ficheros de código fuente que normalmente se ofrecen como ejemplo de programación del hardware. Permiten, por tanto configurar todas las opciones del hardware para optimizar las prestaciones que éste ofrece. La programación por tanto es al nivel más bajo que permite el hardware y suele ser a base de escrituras y lecturas de registros determinados. Para trabajar a este nivel debe dominarse no solo el lenguaje de programación utilizado sino también el hardware utilizado en la adquisición y estar familiarizado con el funcionamiento del sistema operativo utilizado a nivel de interrupciones, acceso directo a memoria y accesibilidad de los puertos del ordenador.
- Virtual Instruments Software, son los paquetes que ofrecen mayor versatilidad debido a que permiten la creación de aplicaciones completas con amigable interface de usuario y a la vez un cómodo acceso al hardware a base de llamadas a funciones que el fabricante suministra de acuerdo con el hardware a utilizar. Ejemplos claros de estos paquetes lo constituyen LabWindows /CVI i LabVIEW (ambos de National Instruments). El nombre de instrumentación virtual deriva de las aplicaciones que a partir de unas tarjeta de adquisición se emulaba la funcionalidad de instrumentos comerciales (osciloscopios, multímetros, ...). En la actualidad su funcionalidad abarca desde la emulación de instrumentos de laboratorio a la creación de sistemas de control, o como pequeños sistemas SCADA o entornos de análisis.
Entorno LabWindows/CVI y ejemplo de aplicación como instrumento virtual.
- SCADA (supervisory control and data acquisition) software. Los paquetes de adquisición de datos que están especialmente diseñados para funcionar sobre ordeandores de control de producción con acceso a las variables de proceso y con capacidad de actuación sobre el proceso, generación de alarmas y almacenamiento de históricos, reciben el nombre de software SCADA. Son paquetes de fácil utilización especialmente dotados para el acceso a instrumentos de proceso (autómatas, buses industriales y tarjetas de adquisición). Incorporan facilidades para la representación de elementos de proceso así como animación en función de los valores de las variables medidas. El acceso a los dispositivos de medida y control queda limitado a los que ofrece el fabricante.
