Instituto Tecnológico de Durango CIEEA 2006 Bienvenidos

a principios del siglo XXI Instituto Tecnológico de Durango CIEEA 2006 Congreso de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Aplicada a principios del siglo XXI INSTRUMENTACION Perspectivas de la José Rivera Mejía http://www.depi.itchihuahua.edu.mx/jrivera Durango Dgo. / 14 de marzo 2006

¿ Instrumentación ? ¿A quién se le ocurrió? ¿Qué esperamos de esta plática? Instrumentación ¿Qué es instrumentación? Conceptos, evolución. Presente, Futuro. Introducción a la instrumentación inteligente. Ejemplos de trabajos.

Contenido: Introducción. Instrumentación: Definición. Evolución de la Instrumentación. Clasificación de la Instrumentación. Dispositivos para instrumentación. Partes de un instrumento básico. Comunicación con instrumentos. Instrumentación y Control de Procesos. La Instrumentación en la Calidad y la Globalización. Presente _ Futuro de la Instrumentación Sensores Inteligentes: Definición. MCU´s para sensores inteligentes. Instrumentación Inteligente. Protocolos para instrumentación inteligente: Industria automotriz, industriales, edificios, oficinas y casas. Ejemplos de trabajos. Conclusiones.

Introducción ¿Qué observamos en el mundo actual? Medicina. Transporte Comunicaciones. Hogar ETC. Industrial

Introducción. 720 Kb (5 1/4”) 1.4 Mb (3 1/2”) 64,128.. Mb... 1Gb

Limitados en funciones Introducción. Limitados en funciones Cámara. Multimedia. Internet. PDA´s Juegos Etc.

Introducción. http://earth.google.com/

Introducción Automóvil Aéreo ¿….? TRANSPORTE Terrestre Dirección: Dirección directa (Manual). Dirección asistida  Dirección hidráulica. Dirección Activa.  Completamente eléctrica  El giro del volante no corresponde al giro de las llantas. Híbridos.

Instrumentación. Definición de Instrumentación: Instrumentos (de medida), Conjunto de instrumentos, Instalación de Instrumentos, Técnica de las medidas | Instrumentación. Aplicación de instrumentos a procesos de elaboración industrial o a operaciones fabriles. Aplicación de aparatos de medida científicos. Ciencia o técnica de la aplicación de dispositivos de medida y de control a la identificación, la determinación de magnitud y la regulación de cantidades físicas o químicas.

Instrumentación. Aplicación de la física, la ingeniería y las matemáticas a la medida y registro de las cantidades físicas (particularmente cuando varían con respecto al tiempo), a la técnica del control automático y a dispositivos que ejecutan diversas operaciones matemáticas sea por si mismos (para fines de cálculo), sea como componentes de un sistema [1].

Dispositivos que ejecutan O.M. Instrumentación: Cantidades F ó Q Aplicadas Medición Física Medición y Registro Ingeniería Control Automático Dispositivos que ejecutan O.M. Matemáticas

Evolución de la Instrumentación. Incorporación de diapositivas, mayor información para los operadores. Incorporación de registradores de tres plumas conmutables para 15-20 señales Incorporación de lámparas señalizadoras y sirenas. Estandarización en el tamaño de los instrumentos. 1960, Aparecen instrumentos electrónicos en miniatura. Paneles semigráficos de alta densidad Salas de control de alta densidad 1950, Aparecen los primeros intrumentos electrónicos. 1947, Instrumentción neumática en miniatura. 1940, Transmisores y receptores neumáticos. Instrumentación en salas de control Instrumentación en paneles locales Centralización de funciones de medida y control más importantes del proceso. Instrumentación manual Manómetros, termómetros y válvulas Localmente distribuidos, trabajo empírico, muchos hombres

Evolución de la Instrumentación (cont). Fin del siglo XX (LAN´s, WWW, comunicación, ISO´s) Software para instrumentación, hardware programable. PLC´s, Sistemas de medición de no contacto. ISO´s 1990´s Intrumentación virtual. Sala de control: Computadoras. Monitores especiales. Pantallas gigantes. Arquitecturas para monitoreo y control. (Control distribuido, control digital directo, control supervisor por computadora.) Microcontroladores. Algoritmos de control. 1960-1965 se desarrollaron las primeras computadoras para proceso en industria térmica, química y petroquímica. 1946, aparecen las primeras computadoras División de intrumentos en diferentes cuartos de Control. Paneles semigráficos de alta densidad

Clasificación de la Instrumentación. En base a la variable física o química. Termómetros, velocímetros, audímetros, amperímetros, voltímetros, etc. En base a la aplicación. Instrumentación Industrial. Fábricas: cemento, papel, llantas etc. Instrumentación en la industria de Manufactura Manufactura: arneses, electrónica, rines etc. Instrumentación biomédica. Medicina. Instrumentación en sistemas de comunicación. Comunicaciones, satélites, radares etc. Instrumentación automotríz. Instrumentación en la agricultura. Instrumentación para edificios, el hogar, etc.

Dispositivos para intrumentación. Elementos primarios (sensores) Indicadores. Registradores. Controladores. Transmisores. O una combinación de estos: Indicador transmisor. Indicadores registradores. Indicadores registradores y transmisores. Indicador controlador. Indicador controlador y transmisor. Etc. Actuadores o elementos finales de control (válvulas, selenoides, motores, etc.)

Partes de un instrumento básico. Indicador, Registrador

Comunicaciones en la Intrumentación. Transmisión de señales entre intrumentos: Neumática. Hidráulica. Corriente (4 - 20 mA). Serie RS_232. RS_422 RS_485 USB Paralelo GPIB VXI FieldBus LAN´s, Internet.

Instrumentación y Control de Procesos. Tipos de Control: Manual. Automático: Todo-Nada (on-off). Proporcional. P + I + D Adaptivo. Difuso. Deslizante. Redes Neuronales (Inteligente).

La Instrumentación en la Calidad y la Globalización. Calidad Total Calidad de Clase Mundial Aseguramiento de la Calidad Instrumentación Etc. Certificación Acreditación Laboratorios de calibración CIMP ISO´s

La Instrumentación en la Calidad y la Globalización. Precisión, exactitud. Incertidumbre

La Instrumentación en la Calidad y la Globalización. Patrones de medición Trazabilidad

Presente _ Futuro de la Instrumentación

Instrumentación Inteligente

Sensor Inteligente. La especificación IEEE1451.2 define un sensor inteligente como: Un sensor que provee funciones más allá de lo necesario para generar una correcta representación de una cantidad medida o controlada. Esta función típicamente simplifica la integración del transductor en aplicaciones en ambiente de redes.

Sensor Inteligente. Sensores Inteligentes (smart sensors, 1997 IEEE 1451.2).

Sensor Inteligente. Niveles o grados de Inteligencia de un Sensor

Sensor Inteligente. Características generales: Hardware: La inteligencia es proporcionada por un MCU o un DSP. Incluyen circuitos integrados de aplicaciones especificas, ASIC´s). MEM´s. Bajo consumo de energía de 5V a 3.3 V o menos. Aplicaciones en ambiente de redes. Hoja de especificaciones. Con todas sus características.

MCU´s para Sensores Inteligente.

MCU´s para Sensores Inteligente. Cuando un sensor es combinado con un microcontrolador , un DSP o un circuito integrado de aplicaciones especificas la capacidad para obtener y mejorar su desempeño de manera adicional está limitada únicamente por la capacidad de el elemento de cómputo y la imaginación del diseñador.

Sensor Inteligente (Niveles de integración). MEM´S

Instrumentación Inteligente.

Protocolos en la Instrumentación Inteligente. Muchos protocolos se han desarrollado, sin embargo, un protocolo requiere más que la definición y demostración de hardware. Requiere de la aceptación de uso por un número de fabricantes de circuitos y pueda aceptarse como un verdadero estándar. Protocolos en la industria automotriz. Protocolos Industriales. Protocolos para la Automatización Edificios y Oficinas. Protocolos para la Automatización de Casas.

Protocolos en la Industria Automotriz. El comité de redes en vehículos de la SAE para multiplexado y comunicación de datos tiene definidas tres clases de redes en vehículos: Clase A: Para aplicaciones de baja velocidad, como las luces. Clase B: Es para la transferencia de datos entre nodos para eliminar la redundancia de sensores y otros elementos. Clase C: Comunicación de alta velocidad, típicamente asociado con aplicaciones de tiempo real. Clase Tipo Velocidad Latencia: Velocidad de acceso. A Baja 1 Kbps a 10 Kbps 20-50 ms B Media 10 Kbps a 100 Kbps 5-20 ms C Alta 10 Kbps a 1 Mbps 1-5 ms

Protocolos en la Industria Automotriz. Responsable/ Productor J-1850 SAE (Society of Automotive Engineers) J-1939 (CAN) SAE J1567 C2D SAE (Chrysler) J2058 CSC Chrysler J2106 Token Slot SAE (GM) Protocolo Responsable/ Productor CAN Robert Bosch GmbH VAN ISO A-Bus Volkswagen AG D2B   MI-Bus Motorola TTP University of Wien, Austria

Protocolos en la Industriales. La industria tiene más propuestas en estándares que la industria automotríz. El bus de campo (fiedbus) es el término utilizado para un estándar de comunicación de dos vías no necesariamente digital, en procesos de automatización industrial. Las especificaciones del fieldbus deben definir: La aplicación. Cadena de datos. La capa física del modelo ISO, definiendo algunas 4 capas de servicio.

Protocolos en la Industriales. Responsable/ Productor HART Rosemount and HART Communication Foundation DEviceNETTM Allen Bradley Smart Distributed Systems (SDSTM) Honeywell Fieldbus ISP+World FIP= Fieldbus Foundation SP50 IEC/ISA LonTalkTM Echelon Corp. Profibus German DIN Protocolo Responsable/ Productor ASI bus ASI Association InterBus-S Phoenix Contact and InterBus-S Club Seriplex Automated Process control and Seriplex Technology Organization SERCOS SERCOS N.A. IPCA   ARCNetTM Datapoint Corp. and ARCNet Trade Association

Protocolos Industriales (Comparación )   Característica Protocolo SensorBus (Honeywel) Device Network (Allen Bradley) Fielbus Nombre de la red SDSTM DeviceNETTM WorldFIP, ISP Objetivo de los dispositivos Sensores Sensores, interruptores, manejadores, arrancadores, valvulas. Transmisores inteligentes, flujómetros, servo_válvulas. Paquete de datos Típicamente 1 Byte Arriba de 8 Bytes Arriba de 1000 Bytes Velocidad  CAN Arriba de 500 Kbps Arriba de 1-2.5 Mbps Cantidad de datos Limitada Moderada Gran cantidad Interoperabilidad Especifica del proveedor Abierta

Protocolos para automatización de edificios y oficinas. La construcción de oficinas inteligentes ofertan un alto grado de automatización. Nodos sensan cambios en el ambiente. Envían el estado y en respuesta a esos cambios mandan mensajes de control a otros nodos. Por ejemplo: nodos de potencia cambian la velocidad de abanicos o hacen ajustes basados en la información. Otros aspectos son: El autodiagnóstico La captura o almacenamiento de datos. Detección de incendios. Sistemas de riego, Monitoreo de consumo de energía Sistemas de seguridad. Etc.

Protocolos para automatización de edificios y oficinas. Responsable/ Productor BACnet Building Automation Industry LonTalkTM Echelon Corp. IBIbus Intelligent Building Institute Batibus Merlin Gerin (Frace) Elbus Alemán CAB Canadá Redes como Ethernet, ARCNetTM, MS/TP y LonWorksTM pueden comunicarse o son compatibles con sistemas BACnet, desarrollado por la American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE). Han construido estándares y sistemas de administración de energía.

Protocolos para Automatización Casas. El control por computadora de casas del futuro es la meta del proyecto casas inteligentes (Smart House Project). La gran cantidad de candidatos para intercomunicarse en la red son: El calentón. La ventilación. El aire acondicionado. Calentador de agua. La cocina. La lavandería. Luces. Seguridad. Etc.

Protocolos para Automatización Casas.

Protocolos para Automatización Casas. Responsable/ Productor X-10 X-10 Corp. Smart House Smart House L.P. CEBus EIA LonTalkTM Echelon Corp. Michigan Parallel Standard Universidad de Michigan Integrated Smart sensor Bus Delft University of Technology Time-triggered protocol University of Wien, Australia

Ejemplos de trabajos

Ejemplos de trabajos. Sistema de simulación y control de procesos sobre la base de una PC de la planta MCA. ARMFIELD Mod. PCT-23

Ejemplos de trabajos. Sistema de simulación y control de procesos sobre la base de una PC de la planta MCA. ARMFIELD Mod. PCT-23

Ejemplos de trabajos. Control y medición Inteligente a través de comunicación en un alambre monitoreado localmente y/o vía Internet. DS2450 DS2760 DS2890

Ejemplos de trabajos. Interfase OPTO-GPRS para el monitoreo de parámetros eléctricos a través de internet. Miguel Angel Aguilar Contreras

Medición milimétrica de variables aleatorias por visión. Ejemplos de trabajos. Medición milimétrica de variables aleatorias por visión. d1=100um D=1000um

La imaginación nuestro límite..... Ejemplos de trabajos. Matemáticas. Exactitud y Calidad en la Medición. Lógica Difusa. Redes Neuronales. Teoría de Confiabilidad. Linealización. Autocalibración. Autodiagnóstico. Hardware_Programable Etc. La imaginación nuestro límite..... Alámbrico E Inalámbrico

Ejemplos de trabajos. Sistemas de Monitoreo y/o Control Distribuido

Conclusiones.

Conclusiones: Diseños encaminados hacia el Hardware programable. Diseño de dispositivos autoconfigurables. Se generarán   Nuevas formas de medición. Ejemplo: Biosensores Instrumentación Inteligente e Inalámbrica. Estandarización en la fabricación de partes para instrumentación. Certificación y/o acreditación de plantas físicas. Certificación y acreditación de recursos humanos. A medida que los sistemas o procesos incrementen su complejidad, aumentará el uso de instrumentación.

Conclusiones: El avance en las matemáticas, física, química e ingenierías afines, provocará un avance en la intrumentación. Hay que mantener un conocimiento básico y actualizado de las matemáticas, física, química e ingenierías afines, para mantenerse al día en los avances de la intrumentación. Aprendizaje Acelerado: Las nuevas generaciones tienen que aprender más en menos tiempo. Los que nos dedicamos a la enseñanza, tenemos el compromiso de motivar la enseñanza de más conocimientos en menos tiempo. El ser competitivo en este nuevo milenio dependerá de que tan rápido nos adaptemos a los cambios.

Conclusiones: Seguir muy de cerca los cambios: Semiconductores. MEM´s Límite de velocidad ? Límite de integración ? MEM´s Sistemas ópticos. Materiales magnéticos

Conclusiones. Bases para el desarrollo, uso y aplicación de la Instrumentación (presente_futuro). Matemáticas. Física, Química. Ingeniería: Electrónica. Comunicaciones. Computación. Industrial. Desarrollo Humano. Confiabilidad Ambiental. Fuentes alternas de energía

Referencias: [1] Collazo L. Javier, “English-Spanish / Spanish- English ENCYCLOPEDIC DICTIONRY OF TECHNICAL TERMS, McGraw Hill Company, 1981 p.p.592. [2] Antonio Creuss, “Instrumentación Industrial, Marcombo. [3] Lira Guillermo, “Escala, AEROMEXICO”, Vol. 170, sept. 2003, pp 106-109. [4] BMW serie 5, www.bmw.com. [5] Brian O’Mara (Analog Devices Inc.), Paul Conway (PEI Technologies) Article “”Designing an IEEE 1451.2-Compliant Transducer”, Magazine:Sensors, August 2000. [6] Instrument Society of America http://www.isa.org. [7] Cota J. de D. Cota Ruíz, "Control y medición inteligente a través de comunicación en un alambre monitoreado localmente y/o vía Internet", División de Estudios de Posgrado e Investigación del ITCH, 2003. [8] Marlyn M, “A Practical Guide to Neural Nets”, Addison-Wesley, 1991. [9] Stamatios V. K., “Understanding Neural Networks and Fuzzy Logic, Basics concepts and applications”, IEEE PRESS 1996. [10] Curtis J. “Process Control Instrumentation Technology”, Prentice Hall, 1993.

Muchas Gracias por su atención. Email: jrivera@itchihuahua.edu.mx http://www.depi.itchihuahua.edu.mx/jrivera