instrumentacion virtual

Universidad de PamplonaI.I.D.T.A44

ISSN:1692-7257 Volumen 1 No 3 - 2004Revista Colombiana deTecnologías de Avanzada

INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

JESÚS A. CALDERÓN-VIELMA

Laboratorio de Investigación y Desarrollo en Automatización e InstrumentaciónFacultad de Ingeniería. Universidad de Los Andese-mail:[email protected]

RESUMEN:El uso del computador personal como herramienta para realizar medición, eshoy en día una forma de realizar lo que se denomina instrumentación virtual. En estetrabajo se presentan los conceptos básicos de instrumentación virtual, así como suscomponentes, destacando las diferencias entre los instrumentos tradicionales y losvirtuales.

Palabras claves: Instrumentación virtual, laboratorios, simulación.

1. INTRODUCCIÓN

Los ingenieros hemos esperado del desarrollotecnológico que cada computador en términosgenerales sea rápido, pequeño y por supuesto“económico”, así la tecnología nos presentóen la pasada década el computador personal(PC), con las características soñadas y tal vezimposibles pero allí lo tenemos un PC. Hoy endía el crecimiento de la industria de loscomputadores personal es en términos deproducción y ventas comparable a la deautomóviles y la de TV. El PC ha sidoincorporado en laboratorios de docencia einvestigación de las universidades de maneratan útil como un escritorio de oficina, en elcampo de las mediciones es a partir de lapresente década cuando comienza la era de lainstrumentación basada en el computadorpersonal (PC), la versatilidad del PC, suvelocidad de procesamiento y la cantidad de

programas disponibles, han hecho del PC unaerramienta muy importante en los procesosde medición. Aunque muchos sistemas hansido conectados a computadores desde losaños 70 usando el interfaz normalizada IEEE-488, su versatilidad estaba limitada por laentonces disponible baja memoria y velocidadde procesamiento. Durante el inicio de lapasada década los PC de 16 y 32 bits ya sepodían adquirir a un bajo costo, con grandescapacidades de memoria, altasvelocidades, una excelente y alta resoluciónpara presentar y mostrar información. Estascaracterísticas importantes han agregadoinherentemente un ambiente muy amigablepara el usuario de PC estimulando el desarrollode instrumentación basada en el mismo yllevando a lo que se ha denominadoinstrumentación virtual donde por medio deldesarrollo de programas el computadorpersonal puede ser operado como cualquier

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instrumento físico, por ejemplo como unosciloscopio o un analizador de espectro.

2. ANTECEDENTES

Los primeros instrumentos electrónicos aválvulas aparecen a principio de los años 50.Los complejos de múltiples procesosempezaron a utilizar salas separadas y lacomunicación entre los operadores dedistintas salas introdujo serios problemas.Se desarrollaron registradores de hasta 20señales y pantallas de proyector dediapositivas de modo que fuera más fácildistinguir los puntos que se estuvieranregistrando, para que así el operador tuvierainformación clara del proceso y tratase detomar la decisión más acertada.

En la década de los 70 surgen los instrumentoselectrónicos integrados y los de funcionesseparadas. Los instrumentos de funcionesseparadas se empleaban cuando el grado decomplejidad del proceso era muy alto. A partirde todo este desarrollo surge la necesidad decoordinar los diversos controladoresestableciendo una jerarquización entre losmismos para lograr una versatilidad quepermitiera el cambio fácil del tipo decontrolador y obtener la mayor economíaposible en el control de la planta. Estascaracterísticas las reúne el denominado controldistribuido, introducido en 1975 en el que unoo varios microprocesadores se encuentranrepartidos en uno o varios puntos de la planta,conectados a varias señales de procesocorrespondientes, en general en una partehomogénea de la planta.

En el control distribuido el proveedorsuministra las pantallas de control, de maneraque se hace innecesario el proyecto e

realización del panel de control. Conviene queel usuario presente el tipo de representaciónvisual que le interese, presentando su ayudaen el diseño de pantallas para la representacióndel proceso, incluyendo la participación delos futuros operadores de la planta para queellos a parte de verse envueltos y reconocidosu papel en la planta, puedan influir en laconstrucción o fabricación de los diagramascon los que después van a controlar elproceso.Además, el operador tiene acceso atodos los datos de los controladores y puedevisualizarlos a través de pantallas detelevisión ya que se halla en contacto con losmismos a través de la vía de comunicaciones.

Si se desea puede acoplarse un computadoral proceso para resolver problemas de ladirección de la planta, desde los más sencilloscomo la tendencia de variables y suinterrelación hasta los más complejos como laauditoria energética y la optimización decostos de las diversas secciones de la fábrica.

La arquitectura distribuida de las diversasfunciones del computador permite relacionarentre sí los valores de variables tales como elestado del inventario, análisis de productos,automatización de la producción,mantenimiento y la información necesaria parala dirección para una toma correcta dedecisiones sobre la marcha de la planta.En elpresente, puede afirmarse que la tecnologíadigital evoluciona todavía más, integrandototalmente la información de la planta con unflujo de información continua entre lasdiversas secciones de la planta (fabricación,mantenimiento, gestión, etc.).

La aplicación de los instrumentos neumáticosy electrónicos-analógicos quedará limitada apequeñas plantas, ya que, frente a la



instrumentación digital tiene una peor relacióncosto-prestaciones y no dispone de lafacilidad de comunicación entre instrumentosque posee la digital.

El uso del computador digital en los sistemasde instrumentación y control ofrece:

1. Mejor rendimiento del proceso y por lo tantomenores costos y mayor producción.

2. Buena calidad y velocidad, necesarias paraoperar en tiempo real.

3. Mayor seguridad (inmediata acción decorrección y activación de alarmas).

4. Proporciona gran cantidad de informaciónacerca del proceso.

3. INSTRUMENTO VIRTUAL

Combinación de Hardware y elementos desoftware, usados por un PC, para cumplir lafunción de un instrumento tradicional.En la segunda mitad de la década de losochenta, alrededor del año 1.986, algunascompañías como la National Instruments,introducen herramientas de software que lespermite a los ingenieros desarrollar sistemas,de la misma forma como se desarrollaron anteslas hojas de cálculo para facilitar el trabajo enel análisis financiero de datos. En la tabla No.1 se muestra una comparación entre losinstrumentos tradicionales y los virtuales.

El resultado fue una revolución que estácambiando la instrumentación en las pruebas,medidas y en el mercado de automatizaciónindustrial, con el fin de reducir costos sinnecesidad de sacrificar funcionamiento.




4. ELEMENTOS DE UN INSTRUMENTOVIRTUAL

4.1 Software.Es la clave del instrumento virtual, ya que éstees el que sustituye al instrumento tradicional.El software juega un rol vital en el desarrollode sistemas de adquisición de datos y control,además de dirigir la interacción de lasespecificaciones de hardware.

El software se elige de acuerdo a lasnecesidades .y preferencias del usuario.Muchos factores afectan la elección delsoftware incluyendo aplicaciones,requerimientos, el hardware del computador,sistema operativo y el hardware deinstrumentación. El software que el usuarioescoge debe ser versátil, para adaptarse adiversas arquitecturas de computadores, adiversos instrumentos y dispositivos deadquisición de datos.

El usuario debe escoger el software de acuerdoa ciertas características, tales como: unaarquitectura abierta, desarrollo de actividadesen diferentes plataformas, etc... Si existe unsoftware que cubra las necesidadesdelusuario, entonces se dispondrá del mismo,sinnecesidad de empezar a desarrollar unnuevosoftware.

National Instruments es una de las compañíaspioneras en el desarrollo de instrumentosvirtuales y ha ofrecido paquetes que hanvenido a ser muy populares; en 1.986 introdujosu primera versión de LabView (LabView 1.0),desde la cual ha venido creciendocontinuamente desarrollando paquetes sobrevarias plataformas, lo que se traduce en unenorme desarrollo y apoyo a laInstrumentación Virtual. En adición al LabView,

surgió el LabWindows/CVI.

El LabView combina tecnología de sistemaoperativo más reciente con técnicas deprogramación orientada a objetos, mientrasque el LabWindows es diseñado bajoprogramación en Lenguaje C con librerías yfunciones predefinidas.

4.2 Tarjetas de interfaz con el PCLos componentes con los cuales se hace lainterfaz con el computador pueden ser de dostipos: tarjetas insertadas dentro delcomputador (plug in) e instrumentos conpuertos de comunicación operandoindependientemente (stand alone).

4.2.1 Tarjetas “Plug in”Las tarjetas “plug in” están insertadas dentrolas ranuras de expansión del PC y son diseñadaspara una determinada arquitectura decomputador personal, por ejemplo IBM PCcompatibles o de la series APPLE II.

Estas tarjetas tienen un conector terminal, adonde se aplican las señales provenientes devariables de proceso acondicionadas o no, asícomo terminales de salida. Estas tarjetas sediseñan con un determinado “software” para elPC.

4.2.2 Instrumentos “Stand Alone” Losinstrumentos de medición con puertos decomunicación están conectados al PC por mediode un canal de comunicación normalizado y sonindependientes de la arquitectura delcomputador. Por ejemplo los PC pueden tenerpuertos de comunicación serial RS-232, y coneste puerto de comunicación podríacomunicarse con un dispositivo que tambiéntuviese un puerto serial RS-232.



Es posible también usar el puerto paraleloCentronics (para impresora) y conectar unsistema para adquisición de datos, que es útilcuando disponemos de un computadorpersonal portátil, y por sus característicaspodríamos monitorear procesos industriales encampo eventualmente para verificar elfuncionamiento de un sistema de medición.Para los dispositivos “stand alone”(autónomos) no se ofrece un software particular,ya que sólo es necesario conocer el protocolode comunicación normalizado.

4.2.3 Realización de mediciones con tarjetas“plug in”.Para realizar la medición en un proceso esnecesario ensamblar en el SAD una interfaz conel PC, esta podría ser una tarjeta “plug in”, quedebe ser seleccionada o diseñada luego dehaber definido la aplicación, en la cual, es unatarea muy cuidadosa las características queposea la tarjeta: número de canales (entradasanalógicas, salidas analógicas, entradas ysalidas digitales) frecuencia de muestreo,resolución, mantenimiento de la exactitud a altasganancias y velocidades, orden aleatorio deregistro de señales (scanning), gananciaprogramable por canal, intervalo de registro deseñales y la verdadera exactitud. Cuando en lastarjetas de dquisición de datos (TAD) seespecifica la frecuencia de muestreo se hacesuponiendo la máxima frecuencia de muestreosi se registra un solo canal, por ejemplo si sediseña una tarjeta con una frecuencia demuestreo (sampling rate) 200 000 muestras/s ytiene 16 entradas analógicas, si solo se monitoreaun canal a la vez la máxima frecuencia de la señala muestrear es de 100 kHz y si se monitorean los16 canales consecutivamente la máximafrecuencia que podríantener las señales seriade 6.25 kHz

5. ESTRATEGIA BASE PARA DISEÑOS DEINSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.

A la hora de diseñar un sistema basado en eluso de instrumentos virtuales, deben tomarseen cuenta algunos factores de importancia.

5.1 Identificar los tipos de señales de entraday salida.Cuando se usa una tarjeta de adquisición dedatos se debe identificar los tipos de sensoresy señales de entrada y salida con los que setrabajará. En cuanto a los tipos de entradas ysalidas de un sistema de adquisición de datos,usualmente se consideran según el siguienteaspecto:

• Entradas analógicas. Temperatura, precisión,voltaje, corriente, señales acústicas yvibración.• .Salidas Analógicas. Voltaje, Corriente.• Entradas y salidas digitales. Entradas ysalidas compatibles TTL. comunicaciónparalela. Regulador de control.•Entradas y salidascronometradas.Cronómetros y eventos.Entradas y salidas de frecuencia.

5.2 Escoger un método de condicionamientode señal.

Muchos tipos de señales, provenientes dediversos sensores, deben acondicionarse antesde ser conectados a la tarjeta de adquisición dedatos. En esta parte se tiene que hacer unabuena elección de transductores yconvertidores que se ajusten a losrequerimientos del proceso y cuyo costo noresulte muy elevado, para lograr un acople entrelos elementos que integran el lazo de control.Existen, en el mercado, dispositivos deacondicionamiento que pueden adquirirse decuerdo a las necesidades e, incluso, puede




pensarse en diseñarlos e implementarlos parael problema en particular, pues éstos soncircuitos bastante sencillos.

5.3 Escoger una tarjeta de adquisiciónadecuada de acuerdo a los criterios deselección.

5. 4. Escoger el cableado adecuado para laconexión entre la tarjeta y el computador.

5.5 Seleccionar el método de programaciónadecuado (Software).

6. ESTRATEGIAS PARA IMPLEMENTARUN SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓNVIRTUAL.

1. Estudiar si es necesaria la mplementaciónde un Instrumento Virtual.Esto se consigue reconociendo que elinstrumento virtual solucionará la necesidadexistenteproduciendo beneficios palpables.

2. Formar un equipo de funcionamientocruzado. El cual está conformado pordiferentesexpertos de distintas áreas para compactar lainformación necesaria para el desarrollo delsoftware.

3. Entrenar el personal.Cada miembro del equipo estratégico deprueba entenderá la tecnología y base de laInstrumentación Virtual y cómo el hardware yel software se aplican a la situación enparticular.

4. Realizar un proyecto piloto.Se basa en probar la efectividad delinstrumento virtual y comparar su desarrollocon el del instrumento tradicional.

5. Implementar el Instrumento.Es la fase final donde se obtendrá el desarrolloy beneficio de la implantación de la estrategia

7. CONCLUSIONES

La instrumentación permite que se obtenganlos siguientes beneficios:

1. El usuario es el que define el funcionamientodel instrumento.

2. Con respecto al funcionamiento, son flexibles,reusables y reconfigurables.

3. Con respecto a la economía, el softwareminimiza los costos de desarrollo ymantenimiento y mantenimiento.

4. Minimiza el tiempo de desarrolloLa instrumentación virtual permite elmonitoreo de las variables de un proceso alarga o corta distancia, a través del uso de unconjunto de instrucciones lógicas (programa)soportadas por un hardware (computador)adecuado a ellas. Un instrumento virtual esun programa que tiene la virtud de comportarsecomo un instrumento tradicional, es decir,medir variables y hacerlas legibles(visualizarlas) para ser aprovechadas por elcomputador o por el humano en funciones decontrol o cualquier otra.

Por lo que, cuando se desea monitorear y/oanalizar las variables de un proceso con laopción de realizar control usando uncomputador personal, es necesarioseleccionar o diseñar un Sistema deAdquisición de Datos (S.A.D), el cual va apermitir alimentar las variables de medicióndel proceso al PC. Se puede entonces definir:



REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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S.A.D es un dispositivo que permiteentregar datos del mundo real a uncomputador.

Entre las funciones que tendría un SADestarán:

convertir las variables de medida en unformato que el computador pueda interpretar;recolectar, monitorear, presentar y analizardatos; controlar el proceso si el SAD poseeterminales de salida, lo cual, redundaría enmejorar la eficiencia.

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