PROCESAMIENTO PRIMARIO Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I CAPITULO 2 PROCESAMIENTO PRIMARIO DE LA INFORMACIÓN

Variables en un sistema automatizado Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Variables en un sistema automatizado PROCESO SISTEMA DE CONTROL Variables de perturbación Variables calculadas Variables medidas directamente Variables manipuladas Variables introducidas manualmente Variables controladas

Clasificación de las señales Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Clasificación de las señales Una señal es una cantidad física cuya magnitud y variación con el tiempo contiene información. De un señal nos puede interesar: Estado. Cantidad de cambios de estados. Nivel. Forma. Frecuencia. En dependencia del tipo de la información se clasifican en: Discreta Analógica

Tipos de señales Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Tipos de señales On-Off Estado Discretas Tren de pulsos. Razón de cambio Señales DC Magnitud Analógica Dominio en el tiempo Forma

Tipos de señales Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Tipos de señales Señal de estado Estado de switches on off t t Tren de pulso La cantidad de los pulsos, Frecuencia de ocurrencia Tiempo entre pulsos t Nivel Temperatura Nivel, Presión

Tipos de señales Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Tipos de señales t Forma Electrocardiogramas f Espectro de frecuencia Señales de radiofrecuencias Medición de ruido

Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Muestreo de la señal El período de muestreo está determinado por la respuesta dinámica del proceso. Periodo de muestreo = Tm Frecuencia de muestreo = fm = 1 / Tm t Tm

Selección del período de muestreo Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Selección del período de muestreo Si Tm → 0 el sistema se comporta como un sistema analógico. Teorema del muestreo (Teorema de Nyquist) Para recuperar adecuadamente una señal que se muestrea, la frecuencia de muestreo debe ser como mínimo el doble de la frecuencia de la señal que nos interesa muestrear. Frecuencia de alias Ocurre cuando la señal muestreada contiene componentes de frecuencia por encima de la frecuencia de Nyquist. Estas componentes son debidas generalmente al ruido de alta frecuencia O la señal de interés es muestreada a una frecuencia inferior a la frecuencia de Nyquist. Se utiliza un filtro antialiasing antes del muestreo

Muestreo de la señal Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Muestreo de la señal

Frecuencia alias Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Frecuencia alias Frec Alias = ABS ( Múltiplo entero frec. de muestreo – frecuencia de la señal) Ejemplo: Supongamos una señal de 25 Hz con componentes de ruidos en 70, 160 y 510 Hz y se muestrea a una frecuencia de 100 Hz. Tenemos por tanto una frecuencia de Nyquist de 50 Hz, por lo que las componentes inferiores a esta frecuencia es muestreada correctamente desde el punto de vista frecuencial. Pero las frecuencias superiores a 50 Hz producen frecuencias alias de valor: Para 70 Hz : Alias = | 100 – 70 | = 30 Hz Para 160 Hz: Alias = | 2 (100) –160 | = 40 Hz Para 510 Hz: Alias = |5 (100) – 510 | = 10 Hz

Frecuencia alias Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Frecuencia alias Otro ejemplo: si tenemos una señal de 10 Hz y se muestra a 11Hz tendremos una señal debido al efecto de aliasing de: Frec Alias = (11 – 10 ) = 1 Hz

Reglas empíricas en la selección del periodo de muestreo: Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Reglas empíricas en la selección del periodo de muestreo: En dependencia de la constante de tiempo dominante del sistema. Tm < Tp/10 Tp = constante de tiempo del proceso Según el modelo de Ziegler – Nichols del proceso. L = tiempo de atraso Tp = constante de tiempo dominante del proceso. G(s) = s T 1 ke p Ls + - Si se tiene: Se pueden tomar los criterios siguientes: En general, tomar : 0.05 < Tm/L < 0.3 Para valores grandes de L (Tm/L  0.05) : Ti/Tm = 2 Para valores pequeños de L (Tm/L  0.3): Ti/Tm = 6 Según Td, hacer : 5 < Td/Tm < 10 Donde: Ti = tiempo de acción integral Td = tiempo de acción derivativa.

Reglas empíricas en la selección del periodo de muestreo: Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Reglas empíricas en la selección del periodo de muestreo: Por requerimiento del sistema de lazo cerrado. Tm < Tss/10 wm > 10 wn Siendo : wm = frecuencia de muestreo wm = 2/Tm Tss = tiempo de asentamiento. wn = frecuencia natural de oscilación.

Adquisición de la información Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Adquisición de la información

Adquisición de la información Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Adquisición de la información Es común realizar los siguientes algoritmos: Lectura de la variable. Compensación del valor leído. Linealización y conversión a unidades de ingeniería. Validación del dato obtenido. Filtraje digital de la señal. Chequeo de límites del proceso o alarmas. Análisis estadístico

Lectura de variables discretas Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Lectura de variables discretas Sistema de Lectura (puertos + PC) Contacto Fuente Algoritmo de lectura: 1. Leer el puerto (típicamente de 8 bits o puntos de entradas) 2. Mirar el valor de la entrada deseada (el bit deseado entre los 8 leídos)

Lectura de variables analógicas Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Lectura de variables analógicas Estructura típica de las tarjetas de adquisición de datos comerciales

Relación entre las señales en un canal de medición Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Relación entre las señales en un canal de medición

Relación entre el rango del sensor y del conversor (relación lineal) Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Relación entre el rango del sensor y del conversor (relación lineal)

El rango de la variable no necesariamente lleva a utilizar el rango completo del conversor: Ejemplo. Horno con temperatura de 50 a 300°C Entonces: Xmin=50 y Xmax=300 Si el conversor es de 8 bits Vdinf=0 y Vdsup=255 Si por ejemplo el sistema de medición es tal que para Xmin=50 Vd=85 y para Xmax=300 Vd=235 Entonces del rango total del conversor (0 - 255) solo es usada una parte (85 - 235)

Formas de adquisición de las señales analógicas: Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Formas de adquisición de las señales analógicas: Secuencialmente Todas las señales asociadas a un selector de canales son leídas en forma secuencial generalmente comenzando por el canal 0. Aleatoria Cada señal se capta de forma independiente en el momento que se determine. Las tarjetas actuales pueden leer sus canales de forma automática por hardware.

Algoritmos para la atención a una variable analógica Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Algoritmos para la atención a una variable analógica 1) Seleccionar y habilitar el canal de la señal a medir (programa el multiplexor). 2) Enviar código correspondiente a la ganancia requerida para el canal (programa el AGP). 3) Esperar del tiempo de estabilización del circuito de retención, si se dispone. 4) Enviar inicio de conversión (dispara el conversor A/D). 5) Esperar el fin de conversión que puede realizarse de dos maneras: lazo de encuesta por la señal de fin de conversión lazo de espera del tiempo máximo de conversión . 6) Leer el valor digital entregado por el conversor A/D. 7) Deshabilitar el canal.

Algoritmos para la atención a una variable analógica Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Algoritmos para la atención a una variable analógica Atención por interrupción Se ejecuta los mismos 4 pasos del caso anterior. En el paso 5, la señal de fin de conversión emite una interrupción al sistema, indicando que puede ser leída la variable. La función que atiende la interrupción realiza los pasos 6 y 7. Atención por acceso directo a memoria (DMA) El programa inicia la lectura de lo(s) canal(es) analógico(s) La tarjeta realiza la lectura y transfiere su valor directamente a la memoria. Se explota mejor el DMA si el hardware realiza todos los pasos de forma automática

Ecuaciones del conversor A/D Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Ecuaciones del conversor A/D Tipos de conversores A/D: 1.- Unipolar Entrada : 0 a 5 volt, 0 a 10 volt. Salida : 0 a 2n – 1 n = número de bits del conversor 2.- Bipolar binario Entrada : -5 a 5 volt, -10 a 10 volt Salida : 0 a 2n – 1 3.- Bipolar complemento de 2 Entrada : -5 a 5 volt, -10 a 10 volt Salida : - 2n - 1 a 2n - 1 – 1

1.- Conversor Unipolar Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I 1.- Conversor Unipolar Vd Vdsup V Vsup Como: Entonces: Típicamente los conversores son de 8, 12 o 16 bits (valor de n), para los cuales Vd está comprendido entre 0 y 255, 4095 y 65535 respectivamente.

1.- Conversor Unipolar Conversor: Resolución: 8bits Vdsup=2n – 1 Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I 1.- Conversor Unipolar Conversor: Resolución: 8bits Vdsup=2n – 1 Vdsup = 28 – 1 = 255 Señal: 0 a 5V Vd Vdsup=255 Vd=102 V V=2.0V Vsup=5V

2.- Bipolar binario Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I 2.- Bipolar binario Vinf = -Vsup Vsup Vd Vdmax Vdmax/2 V Si: Entonces:

3.- Bipolar complemento de 2 Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I 3.- Bipolar complemento de 2 V Vsup Vinf = -Vsup Vd Vdmax -Vdmax Si:

Compensación de la lectura Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Compensación de la lectura La compensación se realiza para corregir errores propios del hardware del proceso de adquisición. En esos casos el valor leído por el sistema no es igual al valor real de entrada (generalmente un voltaje). Por ejemplo, la entrada es de 3.8 voltios y el sistema de adquisición muestra un valor de 3.72 voltios. Para corregir o compensar el error, se hace una relación entre la característica real del hardware de medición y la característica ideal.

Características real e ideal del sistema de adquisición Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Características real e ideal del sistema de adquisición Vr1 Vr2 Vin Vsr2 Vs Vsr1 ideal real Vsi2 Vsi1 V Calculando las pendientes:

Constantes de compensación: Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Constantes de compensación: De donde: O: Siendo:

Ejemplo: Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Ejemplo: Vr1 = 1.231 Vr2 = 3.74 Vin Vsr2 = 3.69 Vd Vsi1 = 1.231 Vsr1 = 1.21 ideal real Vsi2 = 3.74

PRACTICA: Implementación del VI de compensación Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I PRACTICA: Implementación del VI de compensación

Diagrama del VI de compensación: Ingeniería en Automática Industrial Software para Aplicaciones Industriales I Diagrama del VI de compensación: