Sistemas Automatizados Module 1 – Funciones básicas, características y arquitectura de los sistema automatizados Tarea 1.2: Organización y arquitectura.

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1 Sistemas Automatizados Module 1 – Funciones básicas, características y arquitectura de los sistema automatizados Tarea 1.2: Organización y arquitectura de los AS. Sistemas de Control y Adquisición de Datos (DAQ&CS) Por Anton Petrov, Plovdiv University, Departamento ECIT Funciones básicas de los AS – tareas1_2

2 Temas principales 1. Estructura simplificada de los AS
2. Sistemas de Adquisición de Datos (DAQS) como parte de los AS. Diagrama de bloques generalizado. 3. Problemas, solución por medio de los DAQS 4. Principales etapas del diseño de DAQS 5. Arquitectura de los AS 6. Particularidades de la industria de los AS 7. Flexibillidad y adaptabilidad de la estructura de los AS Funciones básicas de los AS – tareas1_2

3 Estructura de los AS La siguiente figura nos muestra el diagrama simplificado de la estructura de un AS, compuesto, provisionalmente de dos elementos: una “planta” y un sub-sistema para la automatización y el control - “Controlador” El diagrama esta simplificado en dos aspectos. El primero es que las dos componentes son estructuras complejas, jerárquicas y de multinivel que contienen tanto el procesado de datos complejos y las conexiones comunicativas, como los algoritmos necesarios para ellas. La segunda simplificación es la omisión del “medio”, por el cual opera el sistema. Los cambios ambientales pueden interferir con el sistema operativo. Su eliminación o reducción es una de la principales funciones de la mayoría de los sistemas de control de manera dejen de tener influencia en la precisión del punto de operación. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

4 Mediciones, comentarios e impactos
El último elemento de cada AS, habiendo contacto con el objeto controlado, son los sensores, utilizados para la medición de los parámetros del objeto, así como los actuadores, por los cuales se ejerce el impacto en el objeto. Es bien conocido que “sólo podemos controlar lo que medimos”. Sin medidas cuantitativas exactas de temperatura, presión, velocidad, flujo, concentración química, luz reflejada, radiación y muchos otros parámetros, la automatización no sólo será difícil, también será imposible. Una gran cantidad de equipamiento industrial posee miles de sensores y medios de medida para medir y garantizar una adecuada medición en la supervisión y el control. En este curso nos centraremos sobre todo en los sistemas para medir parámetros y otros métodos de medida en AS, mientras que los sensores, actuadores y el impacto sobre el sistema será tratado en otros cursos. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

5 Adquisición de Datos (DAQ*) y Sistemas de Control
Como se subrayó anteriormente, los Sistemas Automatizados (AS) comprenden básicamente dos sub-sistema principales: un Sistema de Adquisición (DAQ System o solamente DAQ) y un Sistema para el Impacto y Control de los Objetos (CS). DAQ están diseñados para estudiar fenómenos y procesos, que transcurren por cierto medio, el cual es exterior a ellos, y que puede llegar a ejercer cierto impacto sobre ellos. En un AS, los DAQ&CS para la adquisición y el procesado de datos, generalmente procedentes de experimentos físicos, tienen como propósito estudiar ciertos fenómenos físicos e incluso llegar a controlarlos. “El corazón” de estos sistemas es el sistema de computación (PC o servidor). Estos sistemas de computación son extremadamente diversos y pueden variar desde un pequeño microprocesador de un pequeño objeto hasta un enorme controlador digital para ejercer el control sobre un gran equipamiento como reactores nucleares, aceleradores, líneas de ensamblaje industrial, etc. La interacción entre los DAQ&CS y el medio funciona de una forma similar y procesos analógicos corren sobre ellos. Los elementos siguientes también forman parte de esta interacción: objetos, operadores-humanos, otros (otros) DAQ&CS. * Nota: DAQ es solamente una parte del sistema completo. A continuación esta la definición del término, proporcionada por “National Instruments”: Adquisición de Datos (DAQ) es el proceso de medir un fenómeno eléctrico o físico tal como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido con un ordenador. Un sistema DAQ consiste en sensores, hardware de medida DAQ, y un ordenador con un software programable. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

6 Interacción de un DAQ&CS
 objeto  desde el cual los datos son recogidos y donde se realiza el impacto – equipamiento físico, detectores, reactores nucleares, aceleradores, naves espaciales. También – un ser humano u otro organismo vivo cuando el DAQ&CS para un objetivo médico o biológico;  operador-humano – recibe los resultados del sistema de operación y es capaz de proporcionar un comando para llegar a modificar el curso del experimento. La comunicación entre el operador-humano y el DAQ&CS se realiza a partir de un medio y de un software apropiado que proporciona la visualización correcta de los resultados;  otro (u otros) sistemas DAQ&CS, cuando un determinado número de tales sistemas se conectan juntos con el fin de conseguir una mayor complejidad (con equipamiento físico de gran escala tales como aceleradores, reactores, etc.). Funciones básicas de los AS – tareas1_2

7 Procesos de los DAQ&CS Datos de entrada desde los convertidores primarios (sensores, calibradores). Recibiendo órdenes desde el operador. Procesamiento primario Mayor procesamiento (paso a paso) y almacenamiento de los resultados Conversión de las cantidades físicas en datos de salida: Para el objeto al ser proporcionado por medio de los actuadores Para el operador-humano con el fin de obtener información y documentación Para un nivel mayor en la jerarquía del sistema del AS Funciones básicas de los AS – tareas1_2

8 Diagrama de bloques generalizado de un DAQ&CS y el impacto sobre el objeto
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9 Elementos básicos de un sistema DAQ&CS
 SA1, SA2, . . ., SAn  sensores con datos de salida analógicos;  SP1, SP2, . . ., SPn  sensores con datos de salida de tipo pulso o potencial;  АМ – multiplexor analógico;  ADC  Convertidor de Analógico a Digital;  Controladores CS;  DAC1, DAC2, . . ., DACn  Convertidor de Digital a Analógico;  A1, A2, . . ., An  actuadores con datos de salida analógico;  AP1, AP2, . . ., APn  actuadores con datos de salida de tipo pulso o potencial;  CP  Panel de Control para el operador humano;  DC  Conexión Digital con otro sistema de la jerarquía del AS. Un ejemplo típico de un DAQ&CS es el sistema SCADA (control de supervisión y adquisición de datos) , descrito en detalle en el Módulo 5 del curso. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

10 Flujos de información de los DAQ&CS
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11 Flujos de informaciónn– columnas y niveles
Primera columna – tomando la decisión del procesamiento y filtrado, con el fin de eliminar la información innecesaria (señales, códigos, datos, eventos) y almacenamiento de la información útil. Dirección de abajo a arriba; Segunda columna – un flujo de la información actual, tomada desde el objeto y procesada continuamente, en la dirección de abajo a arriba; Tercera columna – el flujo de la información de control, proporcionada por el controlador CS. La dirección va desde arriba hacia abajo. Primer nivel – equipamiento para el registro y la conversión de los datos en señales eléctricas y códigos numéricos – sensores, normalizadores, ADC, comparadores, disparadores, filtros analógicos. Segundo nivel – herramientas de hardware y software para el filtrado de códigos  convertidores funcionales, puertas de tiempo, comparadores digitales, filtros digitales. Tercer nivel – comprende el filtrado de los datos y la acumulación de los eventos. Como regla, es el controlador CS el que realiza la programación. Cuarto nivel – generalización de la información y su representación. Realizada en un cierto programa por el controlador CS. Nota: Aquí CS significa Sistema de Computación Funciones básicas de los AS – tareas1_2

12 DAQ multifunciones (National Instruments) – ejemplo
Contiene datos de entrada y de salida analógicos (I/O), digitales I/O y mostradores registradores/temporizadores Series M o 18-bit, más de 1.25 MS/s, más de 80 entradas analógicas multiplexadas Series S o 16-bit, más de 10 MS/s/canal, más de 8 entradas analógicas muestreadas simultáneamente Funciones básicas de los AS – tareas1_2

13 Principales etapas del diseño de DAQ&CS
Características del diseño de procesos: Complejo, creterio-múltiples, iterativo. Etapas: Selección de los sensores y actuadores (precisión, coste, resistencia al impacto, medio de transmision al CS etc.) Selección de un sistema de control por ordenador (precisión, rapidez de acción, efficiencia, interfaz, red local, etc) Comunicación con el operador-humano. Problemas fiabilidad Diseño y y construccion de la potencia a suministrar Funciones básicas de los AS – tareas1_2

14 Selección de los sensores
La selección de los sensores se basa en el siguiente criterio: precisión, coste, tipo de señal de salida, medio de transmisión hacia el CS y, además, estabilidad sobre ciertas condiciones en los ajustes experimentales (temperatura, presión, humedad, vibraciones, influencia química, radiación etc. ). El medio de introducir las señales a partir de los sensores se elige dependiendo de la distancia existente entre el CS y el sensor, y varia desde una conexión de conductor simple entre el sensor y la entrada del ADC, hasta un pequeño sistema de microprocesador por percepción y procesamiento primario con conexiones digitales del DAQ&CS por medio de uno de las interfaces estándar (ej. RS232 o USB) o cierta interfaz especializada. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

15 Selección del sistema de computación
Se realiza un estudio de la precisión deseada y se define la representación interna de los datos de entrada y salida. La precisión esta influenciada directamente por el tiempo de ejecución en el sistema de computación (CS). Después de especificar la memoria y la velocidad del CS, su arquitectura es seleccionada dependiendo de una tarea determinada  sistema uni-procesador con un potente microprocesador o arquitectura distribuida de multiprocesadores. Los sistemas de multi-procesarores pueden ser acoplamiento-bajo o acoplamiento-fuerte. Las arquitecturas de acoplamiento-bajo consisten en independencia del funcionamiento del CS, solucionando su propia contribución en las tareas, llevadas a cabo por el sistema completo. El intercambio entre el sistema se realiza por medio de una red local y las interfaces estándar (RS232, USB, IEEE488) o por interfaces especialmente desarrolladas. Este intercambio en las arquitecturas de acoplamiento-fuerte se realiza en el bus del procesador local por la compartición de recursos comunes – memoria y periféricos. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

16 Comunicación con el operador-humano*
Criterio de Selección: la complejidad del CS y la cantidad de datos para la introducción y la supervisión Periféricos: desde un simple teclado con varios botones e indicadores por ciertos diodos de luz además de los botones, hasta un monitor de alta resolución a color, teclado completo, ratón, impresora, y otros dispositivos periféricos. Debe tomarse seria atención al entorno del periférico– polvo, temperatura, humedad etc.; so es posible la comunicación con el operador-humano debe realizarse fuera de las condiciones del experimento – en un lugar con temperatura y un nivel de polución normales Los siguientes factores deben ser considerados: Las características físicas-fisiológicas del operador (su habilidad para percibir información, su nivel de concentración, la velocidad de realizar valoraciones y el tiempo de reacción), Su cualificación (trabajador, técnico, ingeniero) * El término Interfaz-Hombre-Máquina– (HMI) se utiliza. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

17 Problemas de fiabilidad del sistema
Requerimientos: Es necesario que un DAQ&CS opere de forma normal, realizando la asignación de las tareas (precisión, rápida reacción, etc.) bajo aquellas condiciones, previstas por las correspondientes asignaciones técnicas – intervalo de temperatura, condiciones desfavorables, vibraciones, desviación eléctrica, etc. Dependiendo del propósito la falta de tolerancia (la habilidad de funcionar por cierto tiempo sin fallos) de un DAQ debería garantizarse. La fiabilidad se consigue por medio de un esquema técnico apropiado y unas m medidas constructivas (protección de los circuitos de salida desde la cadena y los pulsos de ruido encapsulación, blindado contra molestias). Aspiración a una eficiencia ante la fiabilidad completa o parcial al fallo de uno o más sensores o actuadores – fiabilidad del sistema. Los métodos de fiabilidad completa o parcial se utilizan también cuando existen mayores requerimientos respecto a la fiabilidad. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

18 Diseño de la aplicación de potencia
Requerimientos: para ser capaces de asegurar todas las necesidades de voltajes es necesario cierto nivel de estabilidad, precisión, etc. Dificultades а) Respecto a la fuente de energía. Deben evitarse las caídas del sistema– acumuladores de seguridad y sistemas del tipo UPS (Proveedor de Potencia Ininterrumpida). b) Respecto a cómo guardas los datos al apagado– utilización de memorias EEPROM, baterías o acumuladores de seguridad del total o parte de la RAM para grandes volúmenes de datos. La integridad de los datos debe ser también controlada mediante la programación por medio de adición de control etc. c) Respecto a permitir el suministro y la separación galvánica de los sensores. Este problema es especialmente dificultoso para equipamiento bio-físico y electro-médico. Aquí existen requerimientos especiales sobre: la resistencia de aislamiento (Rins) y el voltaje de ruptura (Ubreak) entre el que proporciona la red y los electrodos, pegados al paciente. Voltajes de separación galvánica también son proporcionados por ciertos sensores en exámenes físicos y DAQ&CS industriales. d) Respecto al calor disipado y el enfriamiento requerido. Ventilación, enfriamiento especial, elevada eficiencia de tipos de cambio de bloques de suministro de potencia. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

19 Arquitectura de los AS El AS puede tener distintos diagramas estructurales dependiendo de la complejidad del objeto a automatizar y los componentes que lo constituyen (el número de aparatos externos (ED), tipos y cantidad de sistemas de computación (CS). La arquitectura de un AS se determina a partir de las tareas que deben solucionarse, aunque las opciones para su resolución pueden ser diversas. Características importantes tales como una respuesta rápida, fiabilidad, flexibilidad, etc. dependen de la arquitectura de los AS. Las siguientes diapositivas muestran los diagramas estructurales más típicos de los AS. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

20 Diagramas Estructurales de los AS – 1
1) Diagrama estructural simple – para especificaciones experimentales muy pequeñas; 2) Arquitectura radial (con posibilidad de “canales” para la conexión de ED en los CS); 3) Arquitectura local-radial con un aparato externo para la conexión (ej. multiplexor + amplificador + ADC etc.); 4) Arquitectura jerárquica radial (cuando hay “canales” para la conexión en el CS pero no son suficientes); Funciones básicas de los AS – tareas1_2

21 Diagramas Estructuralse de los AS – 2
5) Arquitectura Bus (para CS, utilizando alargamientos externos para el sistema bus o interfaces estándar especiales con arquitectura de bus, por ejemplo, PXI – extensión del sistema bus PCI o VXI – extensión de la interfaz estándar VME). Ventajas: intercambio de alta velocidad, flexibilidad, conveniencia de la programación, alta fiabilidad etc. 6) Arquitectura de dos buses– crea oportunidades para la fiabilidad así como para la distribución de las tareas entre dos CS; Funciones básicas de los AS – tareas1_2

22 Diagramas Estructurales de los AS – 3
7) Jerarquía de la arquitectura de bus (recopilación de la arquitectura de bus en sistemas de multiprocesadores). 8) Jerarquía de la arquitectura bus-radial– con un elevado número de ED, pero no de varios tipos. Cada uno de los ED están conectados a los CS por un controlador y por interfaz, funcionando como un instrumento de conexión. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

23 Diagramas Estructurales de los AS – 4
9) Arquitecturas basadas en redes locales – cuando tenemos un número elevado de ED de distintos tipos y con complejos requerimientos experimentales, distribuidos en el espacio. La interfaz de identificación de red que normalmente soporta el sistema es Ethernet o Token Ring. La conexión puede realizarse por conductores, cables ópticos o por radiofrecuencia. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

24 Características de los AS industriales – 1
La industria de las redes de comunicaciones, basadas en un modelo de tres capas, juega un papel importante en la industria de los sistemas automatizados. (ver fig.1 en las siguientes diapositivas): Capa 1 – Red del campo de bus (Red de Aparato etc.) – próxima a los instrumentos periféricos en la red – sensores y actuadores (ver fig.4). Capa 2 – Red de Control (Red de Control etc.) – compuesta por controladores programables lógicos (PLM) and ordenadores controladores Capa 3 – Red de Información (preferiblemente de la Industria de Ethernet) – utilizada en el más alto nivel, donde los datos se reciben, se procesan y analizan y las soluciones se proporcionan a los niveles más bajos. Están relacionadas con las bases de datos, donde se almacenan los resultados importantes referentes al sistema de operación así como varios algoritmos de control. En algunos caso es necesaria una capa adicional, denominada capa de usuario o de negocios, en la que personas – operadores, observadores, sintonizadores, servicio técnico, etc. – desarrollan su papeles (ver fig.3). Diferentes estándares industriales y especificaciones, apropiadas para cada capa, se utilizan en cada una de las capas para efectuar la comunicación. La industria de las redes de trabajo, al igual que otro tipo de redes, sigue el modelo OSI (ver fig.2), donde se encuentran sus peculiaridades, características de cada realización particular dependiendo de las especificaciones del usuario. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

25 Fig.1. Redes de comunicación industriales – modelo de tres capas
Sensores y actuadores Funciones básicas de los AS – tareas1_2

26 Fig.2. Sistema Abierto Interconectado Modelo (OSI)
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27 Fig.3. Ejemplo de una red de trabajo industrial
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28 Fig.4. Ejemplo de una red de trabajo en una linea bus
Medidor coste Funciones básicas de los AS – tareas1_2

29 Adaptabilidad de la estructura de los AS
Posibilidad de adaptación a la señal de entrada; Corrección adaptativa de los resultado a partir de la mediciones; Contracción adaptativa de los datos; Adaptación del tiempo de medida; Adaptación de los canales de conexión. Flexibilidad de la estructura de los diagramas de un AS – tareas principales: Cumplir los requerimientos del objeto a automatizar – gracias a un conjunto de módulos previamente preparados; Adaptación de los AS a los cambios que surgen en el desarrollo – gracias a equipamientos conectados, los cuales no necesariamente funcionan; Sustitución de un equipo de trabajo defectuoso (unidades separadas, bloques, etc.) – manual y sustitución automática. Funciones básicas de los AS – tareas1_2

30 Adaptación en un AS Funciones básicas de los AS – tareas1_2

31 Preguntas de auto-evaluación
Cual es el objetivo de los Sistemas DAQ y dónde se utilizan? Dar ejemplos! Con qué y cómo se relacionan los DAQS? Cuales son los elementos que constituyen los DAQS?  Cuales son la principales tareas que resuelven los DAQS? Cuales son la fases principales y los problemas en el diseño de los DAQS? Qué tipos de arquitecturas de un AS hemos distinguido? Cuales son las particularidades de la empresa de los AS? Qué significa “adaptación de un AS” y qué tipos de adaptación se han distinguido? Funciones básicas de los AS – tareas1_2