instrumentación industrial

Instrumentación industrial

Instrumentación y Sensores Ing. Juan Carlos Reyes C.

Componentes

•Instrumentos de medida

•Controladores

•Actuadores

•Sistemas de transmisión–Comunicación

•Sistemas de adquisición de datos (Scada)

Evolución

•40’s: Réles Mecánicos; 3-15psi

•60’s: Computador digital, Electrónica combinacional; 4-20ma

•70’s: Microprocesador, Control Distribuido, Controladores Lógicos Programables (PLCs)

•80’s: Comunicación Digital, Instrumentación inteligente, buses de campo

•90’s: Integración, Información; buses basados en Ethernet Sistemas de Control en Red; Redes inalámbricas


Transmisión de las medidas

Medio físico:

• Neumático (magnitud: presión)

• Eléctrico (magnitudes: tensión o correinte)

• Radio (magnitud: ondas hercianas)

• Fibra óptica (magnitud: haces de luz)

Codificación:

Analógica/ Digital

Amplitud

Modulación en amplitud o frecuencia

Anchura de pulso


Transmisión neumática (1)

Magnitud física: presión de aireRango: 0.2-1 Kg/cm2 = (3-15 psig)

Ventajas:-Permite detectar fugas o cortes de la línea-Transmisión segura en ambientes peligrosos-Insensible a la contaminación electromagnética- Inicialmente menor coste que eléctricas- Actuadores neumáticos



Transmisión neumática (2)

Desventajas:- Compresibilidad del aire-Transmisión lenta-Reducido a distancias cortas para limitar el retraso-Sensibilidad a las condiciones del aire- Humedad- Suciedad (polvo, aceite): Filtros- Requiere compresor


Transmisión hidráulica

Magnitud física: presión de aceite

Características:-Incompresible: mayor rapidez-Inflamable y sucio

Transmisión eléctricaMagnitud física: Tensión: 1 – 5 V, 0 – 10 V, 0-24 VCaídas de tensión en cables falsean la medidaIntensidad: 4 – 20 mANo se afecta por los cables

VentajasAlta velocidad de transmisiónBajo costeElectrónicaDesventajasSensibilidad a la contaminación electromagnéticaCables apantallados

Otros medios de transmisión

Inalámbricas (Radio)Grandes distancias

Fibra ópticaInmune a la contaminación electromagnéticaGran capacidad de transmisiónPequeño tamaño y peso Muy costoso.

Lo más frecuente: Codificación digital:insensibilidad al ruido (Alto-Bajo)y Transmisión eléctrica:Incorporación de dispositivos electrónicos

Controladores

PLCs PACs

PAC: programmableautomation controller,es un controladorcompacto que combinalas características ycapacidades de unsistema de controlbasado en PC con lastípicas de un PLC.

PLC: Programmable LogicController, es un equipo electrónico programable que permite almacenar una secuencia de ordenes (programa) en su interior y ejecutarlo de forma cíclica con el fin de realizar una tarea.

Controladores

PLC partes

1. CPU2. Memoria

3. Fuente de alimentación

4. Módulos (tarjetas) de Entrada/Salida

5. Módulos (tarjetas) de Comunicaciones

6. Software-De programación-Scada

Válvulas

Una válvula es un aparatomecánico con el cual se puedeiniciar, detener o regular lacirculación (paso) de líquidos ogases mediante una pieza movibleque abre, cierra u obstruye enforma parcial uno o más orificioso conductos.

Pueden trabajar con presionesque van desde el vacio hasta masde 20000 lb/in²


Válvulas

Válvula de control

La válvula automática de

control generalmente

constituye el último elemento

en un lazo de control instalado

en la línea de proceso y se

comporta como un orificio cuya

sección de paso varía

continuamente con la finalidad

de controlar un caudal en una

forma determinada.


VálvulasPartes de la válvula de

control

- Actuador: También

llamado accionador o

motor puede ser

neumático, eléctrico o

hidráulico, pero los más

utilizados son los dos

primeros, por ser las más

sencillas y de rápida

actuaciones.

- Cuerpo de la válvula:

este esta provisto de un

obturador o tapón, los

asientos del mismo y una

serie de accesorios.

Instrumentación inteligente

Se denomina transmisores inteligentes a aquellosdispositivos de campo que guardando compatibilidadcon la instrumentación convencional de 4-20 mA,adicionan comunicaciones digitales y característicaspropias de dispositivos inteligentes como:

• capacidad de cálculo y memoria

• Auto-calibración, auto-diagnostico

• Comunicaciones bidireccionales

• Comunicación serie: RS-232, RS-485

• comunicaciones por red de datos

• Protocolo HART: comunicación digital superpuesta al bucle de corriente

Interfaces Estandarizadas

Interfaz serial estándar para comunicaciones asíncronas EIA RS-232 (equivalente a la norma V.24 de CCITT).

• Introducida en 1962.

• Usada para comunicaciones punto a punto.

• Equipos separados no más de 15 metros.

• Bajas velocidades de comunicación (19.2 kbaud).

• El estándar establece el uso de un conector asimétrico de 25 pines. Actualmente se usan otros tipos de conectores.

• La norma EIA/TIA 574, fue desarrollada para evitar confusiones entre el RS-232 y elpuerto impuesto por IBM usando conectores de 9 pines (DB9).

• El puerto serie se utilizó inicialmente para conectar el PC a un módem. En estaconexión, al PC se le denomina equipo terminal de datos o DTE (Data TerminalEquipement) y al módem se le llama equipo de comunicación de datos o DCE (DataCommunicatios Equipement).

• La norma define una velocidad de comunicación de hasta 20 kbps y longitud máximade 15 m . Sin embargo, se ha comprobado que pueden usarse cables de 850 m convelocidad de 110 baudios, 200 m a 2400 baudios, 70 m a 9600 baudios y 20 m a 115kbaudios.

Interfaz serial estándar para comunicaciones asíncronas EIA RS-232 (

• Codificación de bits: NRZ (bipolar síncrona)

• Niveles lógicos: '1': -3 a -15 V '0': +3 a +15 V. Los fabricantes utilizan tensiones de +5 y -5 V o bien +12 y -12 V .

• Enlace asimétrico o desbalanceado

• Los conectores de los puertos serie de un PC son siempre machos, bien sea de 9 pines o de 25 pines, este último casi completamente en desuso.

Identificación de señales RS-232

• TX: línea para transmisión de datos. Para que el DTE pueda transmitir, RTS, DTR, CTS y DSR deben estar en uno.

• RX: línea para recepción de datos.

• RTS (request to send): con ésta, el DTE informa que tiene un nuevo dato listo para transmitir. La autorización se recibe por CTS.

• CTS (clear to send): el equipo remoto indica al DTE que está listo para recibir los datos que transmita.

• DTR (data terminal ready): con ésta, el DTE informa que se encuentra conectado y listo para iniciar la comunicación.

• DSR (data set ready): función similar a CTS.

• DCD (data carrier detect): indica al DTE que el DCE (modem) está detectando la portadora de datos.

• RI (ring indicator): la activa el DCE para indicar al DTE que hay una llamada entrante ente en desuso.

El protocolo HART

HART: Highway Addressable Remote TransmmiterProtocolo sencillo y abierto presente en los transductores propiosdel control de procesos continuos.Creado por Rosemount en 1986

HART implementa 3 capas del modelo OSI:FísicaInterfaz estándar Bell 202 sobre señal análogaEnlace de datosProtocolo maestro/esclavo orientado a carácterAplicaciónSe definen tres clases de comandos o mensajes:universalesde práctica comúnespecíficos del dispositivo

El protocolo HART

Comunicación HART maestro-esclavo

Configuración con dos

maestros para acceder a la

información de campo

Conexión de dispositivos

HART en red multipunto

Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs/PACs, transductores, actuadores y sensores.


Buses de Campo (1)

Ventajas

– Minimización del cableado. Reducción costes.– Facilidad de instalación (cable único)– Reducción del tiempo de mantenimiento– Planos eléctricos más sencillos– Añadir o quitar elementos en funcionamiento– Facilidad de diagnóstico de los problemas– Interfaces “abiertas “ normalizadas

,

ALGUNOS EJEMPLOS:DeviceNet, Profibus, Foundation Fieldbus, ControlNet, Modbus, ProfiNet, Ethernet/IP, Interbus-S , AS-Interface (AS-I)

Buses de Campo (2)

Características

– Muchos elementos– Muchos fabricantes de componentes– Tiempo de respuesta rápidos y determinísticos– Alto nivel de fiabilidad en las comunicaciones» Naturaleza crítica del proceso.– Integración con redes de otros niveles MAP, TCP/IP– Flexibilidad de gestión y monitorización de red


Buses de Campo (3)

Ejemplo: Modbus

Características

El estándar Modbus define un protocolo de mensajes de capa de aplicación.

Estandariza también un protocolo específico sobre línea serial, para

intercambiar datos entre un dispositivo maestro y uno o varios esclavos.

Topología: Bus

Longitud: depende del medio físico seleccionado

Interfaz: RS232, RS422, TTY (Bucla de corriente 20 mA)

Velocidad: depende del medio físico seleccionado

Dispositivos: 1 maestro, 247 esclavos

Modos de transmisión: ASCII o RTU

Rango de direcciones: 247

Acceso al bus: Maestro-esclavo


Ejemplo: Modbus

Características

Modbus permite al usuario seleccionar:

Medio de transmisión,

Velocidad de transmisión de los datos,

Tipo de paridad (par, impar, ninguna),

Número de bits de parada (dos, si no hay bit de paridad),

Timeout,

Modo de transmisión (ASCII o RTU).


Trama Modbus

Ejemplo: Modbus

Transacción Modbus


Ejemplos de códigos de función Modbus:

01 leer estado de las salidas (dirección de inicio, cantidad de salidas a ser leídas).

02 leer estado de las entradas (dirección de inicio, cantidad de entradas a ser leídas).

03 leer registros de retención (dirección de inicio, cantidad de registros a ser leídos).

04 leer registros de entradas (dirección de inicio, cantidad de registros a ser leídos).

05 forzar una salida (dirección de salida, dato a forzar [ON:FF00, OFF:0000]).

SISTEMAS SCADA


SISTEMAS SCADA

SCADA: Supervisory Control and Data Adquisition

(Sistemas de Supervisión Control y adquisición de Datos)

• Los sistemas SCADA son aplicaciones de software, diseñadas con la finalidad de controlar y supervisar procesos a distancia.

• Se basan en la adquisición de datos de los procesos remotos.

• Aplicación software de control (ejecutada en una estación de trabajo) que intercambia información con los elementos de campo y que supervisa/controla el proceso de forma automática.


SCADA: Funciones Principales

• Adquisición de datos, para recoger, procesar y almacenar la información recibida.

• Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control.

• Control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.), bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.


SCADA: Funciones más específicas

• Transmisión. Transmisión de información con dispositivos de campo y otros PC.

• Base de datos. Gestión de datos con bajos tiempos de acceso.

• Presentación. Representación gráfica de los datos. Interfaz del Operador o HMI (Human Machine Interface).

• Explotación. De los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estadístico, gestión de la producción y gestión administrativa y financiera.


SCADA: Elementos del Sistema

Un sistema SCADA está conformado por:

• Unidad Central o Unidad Maestra (MTU)

• Unidad Remota (RTU)

• Interfaz Operador (Hombre) Máquina

• Sistema de Comunicaciones


Ejemplos de Software SCADA

Algunos de los programas SCADA, o que incluyen SCADA

como parte de ellos, son:

WinCC, de Siemens

WinStudio de Bosch

RSView de Rockwell

Labview de National Instruments.

Monitor Pro, de Schneider Electric.


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