Medicin y control por computador

Elementos de un Sistema de Control Digital

Planta

Dispositivos de entrada

Dispositivos de salida

Tareas de entrada

Tareas de salida

Tareas de control

Tareas de comunicacin

Interfaz de comunicaciones

Dispositivos de comunicaciones : teclados, monitores, LAN

Elementos de un Sistema de Control Digital

Sistemas de tiempo real

Primer computador operando en tiempo real => documento por

Brown y Campbell, en 1950.

La aplicacin de computadores al control industrial comenz en los

50s.

Primera instalacin industrial de un sistema computarizado se realiz

en setiembre de 1958, por parte de la Louisiana Power and Light

Company, USA.

El primer sistema de control a lazo cerrado por computador fue

hecho por la Texaco Company, en Texas, USA.

Se ha tenido un gran incremento y mejoras en el uso de

computadores digitales en el mbito industrial:

El HW (procesadores, memorias), el SW (lenguajes, aplicaciones), los

costos han disminuido.

Definicin de Tiempo Real

El autor J. E. Cooling lo define como:

Son sistemas en los cuales debe producirse la respuesta correcta en un

espacio definido de tiempo. Si la respuesta del computador excede ese

espacio de tiempo, entonces se obtendr una degradacin del

desempeo o un mal funcionamiento.

Clasificacin de los Sistemas de Tiempo Real:

Sistemas peridicos o basados en un reloj

Sistemas basados en eventos

Sistemas interactivos

1. Tiempo real duro (hard real-time)

2. Tiempo real suave (soft real-time)

Clasificacin de los Programas

1. Programacin Secuencial

Las acciones se ordenan en una estricta secuencia

Accin => instruccin, comando o declaracin

Programa => serie de instrucciones en ejecucin secuencial

Ejemplo tpico es el lenguaje BASIC de hace algunos aos.

2. Programacin Multitarea

Programa constituido por procesos o tareas, paralelos

Los procesos se comunican a travs de variables comunes o seales

de sincronizacin.

Por ejemplo, el Windows utiliza programacin multitarea.

3. Programacin en Tiempo real

La secuencia de sus acciones es determinada por el medio

ambiente en el que trabaja el sistema.

Ejemplos: Modula 2, Ada, FORTH, LabVIEW.

Conceptos sobre Control por Computadora

Clasificacin de los procesos

1. Proceso por lotes (o batch)

Un ejemplo de un proceso en lotes es la produccin de crema dental

2. Proceso continuo

Ejemplos del mismo son la produccin del papel y del cemento.

3. Procesos de laboratorio o de prueba

El computador es utilizado para controlar cierto experimento complejo.

Actividades que se desarrollan por parte del sistema de control:

* Adquisicin de datos

* Control secuencial

* Lazos de Control Digital Directo

* Control supervisor

* Anlisis de datos

* Almacenamiento de datos

* Interfaz hombre-mquina

Los objetivos que se persiguen al usar un computador:

* Eficiencia en la operacin

* Facilidad de operacin

* Seguridad

* Producto de mayor calidad

* Reduccin del desperdicio

* Reduccin del impacto ambiental debido a la produccin

* Reduccin del tiempo de produccin

* Control Secuencial

Lazos de Control Digital Directo

En un lazo de Control Digital Directo el computador se encuentra dentro

del bucle de control.

Ventajas sobre el control analgico:

Menor costo

Mejor desempeo (mayores rangos de ajuste y precisin)

Mayor seguridad (menos propensos a fallos).

Algoritmos de control ms utilizados:

PID

Sistemas inteligentes de control (sistemas expertos, lgica difusa,

redes neuronales, etc.)

Otras tcnicas incluyen: control inferencial, control por adelanto de la

seal (feedforward control) y el control adaptivo.

Control inferencial

Control por adelanto de la seal

Variables

Manipuladas

Disturbios

Variables medibles usadas para

estimar las no medibles

Salidas medibles Variables

controladas

Estimador

Set points

Controlador

Salidas no medibles

Variables controladas

Estimacin de las salidas no

medibles. Variables controladas

Proceso

Disturbios

Set Point

Medicin

Controlador Proceso

Salidas no medibles

Salidas medibles

Control adaptivo

PID comerciales con auto-sintona: en forma peridica el controlador

inyecta un pequeo disturbio y mide la respuesta. Esta respuesta es

comparada con la respuesta deseada y los parmetros del controlador se

ajustan para que la respuesta del proceso se ajuste a la deseada.

Set Point

Ajuste de

Parmetros

Estimador de

Parmetros

Proceso Controlador Variable

manipulada Variable

controlada

Control Supervisor

Set Points

Equipo de supervisin

Proceso

Variables

medidas

Variables

de salida

C

C

C

Sistemas Jerrquicos

Las tareas son divididas de acuerdo a la funcin que ejecutan

Sistemas Distribuidos

Muchos computadores trabajan en paralelo

Sus caractersticas principales son:

Cada unidad realiza esencialmente las mismas tareas que las dems

En el caso de falla o de sobrecarga de una unidad en particular,

todo o parte de su trabajo puede ser transferido a otras unidades

Nivel bajo Mltiples centros

de decisin

Nivel superior Centro de

decisin nico

Largo

Nivel

intermedio

Corto

Interfaz Hombre-Mquina

Se debe proveer en las facilidades a los operadores y usuarios del

mismo.

Mostrar fcilmente el estado de la planta en un momento dado.

Facilidades de modificacar de set-points, de reconocimiento de

alarmas.

De producir reportes, grficos e informes estadsticos.

Informacin econmica; facilidades para el ingeniero de planta; etc.

El Ingeniero de Control

Responsabilidades de un ingeniero de control:

1. Definir la estrategia apropiada de control para alcanzar los

requerimientos del sistema

2. Definir las variables a medir, manipular y controlar, y establecer las

constantes de escala, filtrado, puntos de alarmas, intervalos de muestreo,

etc.

3. Definir los controladores a utilizar y las conexiones con los otros elementos

del sistema

4. Sintonizar o ajustar los controladores de acuerdo a la especificacin

escogida

5. Definir y programar los procedimientos de control secuencial necesarios

para la operacin de la planta

6. Determinar e implementar el esquema de control supervisor que se

requiera

Variantes de los sistemas de medicin y control

Unidades convencionales:

- Sensores, transmisores de seal, controladores, etc.

- Cada instrumento es un dispositivo distinto.

Sistemas modulares:

- Equipos con microcontroladores para realizar funciones especficas

de medicin y control: PLC.

- Tarjetas insertables o mdulos.

Sistemas de control distribuido (DCS):

- Diseados para aplicaciones de tamao mediano a grandes.

- Diversidad de equipos conectados en red, como son:

- Acondicionadores de seal, unidades de control.

- Consolas de trabajo, monitores de despliegue de informacin.

- Impresoras, etc. (Sistemas generalmente muy costosos).

Distintas posibilidades de conexin de un sistema automatizado

Variantes en la programacin de un sistema

Utilizar sistemas operativos (SO) y lenguajes estndar:

Menor costo, mayor tiempo de proyeccin y menor confiabilidad.

Hay que realizar las propias funciones para el trabajo en tiempo real:

- Reprogramar el servicio de interrupcin de tiempo de la mquina.

- Establecer prioridades, manejo de recursos, etc.

- Para sistemas pequeos en tiempo real puede utilizarse esta variante.

SO de tiempo real y lenguajes con bibliotecas para tiempo real:

- Costo medio

Ejemplo: LabVIEW, LabWindows sobre windows.

- Flexibilidad para realizar aplicaciones a la medida.

Sistemas especficos para medicin y control:

- Con ellos se logra una rpida implementacin.

- Alto costo. Por ejemplo: Lookout, Intouch, RSVIEW.

Tareas tpicas en un sistema de medicin y control

1. Adquisicin y procesamiento primario de la informacin

2. Atencin a alarmas, arranque, paradas, condiciones anormales

3. Regulacin (PID)

4. Clculos (peridicos o aperidicos)

5. Presentacin de la informacin.

6. Atencin al operador (teclado, mouse, etc.)

7. Reportes

8. Controles lgicos secuenciales

9. Comunicacin

10. Optimizacin, despacho, anlisis tcnico-econmicos

Esquema simplificado del proceso de la pulpa en una fbrica de

papel

Tareas bsicas asociadas al ejemplo anterior:

1. Adquisicin y procesamiento de las variables analgicas.

Peridicas en dependencia de los periodos de muestreo, con alta prioridad.

2. Adquisicin y procesamiento de las variables discretas.

Peridica, con bajo periodo de muestreo, o por interrupcin en

dependencia del hardware. Mxima prioridad.

3. Regulacin.

Peridica, alta prioridad.

4. Procesamiento de las variables calculadas.

Peridicas, con periodos de muestreo relativamente alto, o a solicitud del

operador por teclado (o mouse).

5. Presentacin de la informacin.

- Refrescamiento cada 1 seg.

- Presentacin de pantallas ( Mmico, Alarmas, etc.).

Ejemplos de software para aplicaciones de medicin y control

Caractersticas del RSVIEW

Sw de medicin, control y monitoreo (Rockwell Software).

Drivers para PLC de Allen Bradley.

Sistema operativo Windows.

Comunicacin (DDE, OLE, TCP/IP).

Grficas con animacin.

Trabajo con Bases de datos.

Caractersticas del LOOKOUT

Constituye un software para la automatizacin industrial.

Totalmente orientado a objeto.

No existe lmite en cuanto a la cantidad de objetos, paneles, puntos

de E/S que puede gobernar.

Permanece On-line mientras se agrega algn objeto a la aplicacin.

Incluye una amplia biblioteca de grficos, no obstante se pueden

crear sus propios grficos.

Admite files: Windows metafiles (.WMF), bitmap (.BMP), AutoCad

Permite intercambio dinmico de datos (DDE) con otras

aplicaciones.

Amplio tratamiento de las alarmas.

10 niveles de seguridad.

Caractersticas del LabVIEW para Windows:

Usa un lenguaje de programacin grfica llamado "G".

Diseado para instrumentacin, procesamiento, control,

presentacin de la informacin de forma eficiente.

Consiste en construir programas denominados Instrumentos Virtuales

(VI) por su similitud con instrumentos reales.

Usa la programacin por flujo de datos.

Velocidad del cdigo compilado similar al "C".

Multitarea.

Gran cantidad de funciones para ayudar a la programacin.

Biblioteca especfica de aplicaciones para:

- Adquisicin de datos.

- Control de instrumentos seriales y con buses GPIB

- Anlisis de datos.

- Presentacin de la informacin.

- Almacenaje de datos.

Funciones especficas para

- Generacin de seales.

- Procesamiento de seales.

- Filtros.

- Ventanas.

- Estadsticas.

- Regresin.

- Algebra lineal.

Manejo de arreglos.

Controles e indicadores para la presentacin de la informacin:

- Grficos.

- Interruptores, indicadores visuales.

- Tanques, termmetros, etc.

Anlisis en tiempo real, posee funciones para el trabajo en tiempo

real.

Diferentes posibilidades para la comunicacin con el exterior, uso

de puertos, drivers en DDL, comunicacin serie, enlace con redes,

protocolo TCT/IP para la comunicacin en redes, etc.

LabVIEW posee VIs para controlar instrumentos a travs de los buses

GPIB, VXI, RS232. Posee "drivers" para ms de 150 interfaces de 40

fabricantes.

Oferta drivers para la comunicacin con diferentes PLCs.

Programacin modular y jerrquica. Cada VI confeccionado puede

as mismo ser una funcin de otra aplicacin.

Posibilidad del uso de intercambio dinmico de datos DDE.

Posibilidad de uso de objetos de otras aplicaciones a travs de OLE.

Manejo de base de datos, posibilidades de uso de SQL.

Fcil, su puesta a punto.

En el LabVIEW se promueve el concepto de programacin modular.

Algunas caractersticas de la programacin por flujo de datos:

* Consiste en posibilitar la ejecucin de una instruccin en cuanto sus

operandos estn disponibles

* La inicializacin de las instrucciones depende de la disponibilidad de los

datos

* Cada elemento, llamado nodo, consiste de: operador, los receptores de

operandos y los destinos de los resultados.

* La regla de disparo de un nodo exige que todos los receptores estn

ocupados por los valores, o sea, que todos los datos de entrada estn

disponibles.

* Los programas por flujos de datos se representan por grafos dirigidos que

muestran el flujo de datos entre los nodos.

* No existe el concepto de memoria de datos compartidos por lo que no se

producen efectos colaterales.

* La programacin por flujo de datos es apropiada para la implementacin

distribuida. Se puede usar en aplicaciones altamente concurrente. Como

desventaja se le sita que tiende a gastar excesivo espacio de memoria.

Conectividad entre aplicaciones

Facilidades de conectividad:

* Atencin a puertos de E/S

* Comunicacin serial.

* Manejo de ficheros.

* Enlace dinmico de bibliotecas (DDL).

* Ejecucin de comandos del sistema

* Conexin a redes, uso del protocolo TCP/IP.

* Uso de drivers especfico para adquisicin de datos (DAQ, GPIB).

* Intercambio dinmico de datos (DDE).

* Trabajo con bases de datos (SQL).

* Enlace con objetos (OLE y ActiveX)

1. Atencin a Puertos de E/S

2. Comunicacin serie

3. Trabajo con ficheros

4. Manejo de DLL

Diagrama de bloques del programa:

5. Ejecucin de comandos del sistema operativo

6. Conexin a redes

Uso del protocolo TCP/IP:

TCP Listen

TCP Open Conection

TCP Read VI

TCP Write VI

TCP Close Conection

7. Adquisicin de datos

Utilizacin de tarjetas de adquisicin de datos (ISA o PCI) en un computador

Permite leer los valores de variables discretas o analgicas

National Instruments oferta drivers para ms de 150 tarjetas de adquisicin

de datos de ms de 40 firmas. El LabVIEW posee funciones para tratar:

* Entradas analgicas simples y mltiples,

* Salidas analgicas,

* Entradas y salidas discretas,

* Medicin de periodo, frecuencia,

* Conteo de pulsos,

* Generacin de pulsos,

* Calibracin,

* Linealizacin de termopares,

* Lectura de termistores, strain gauge, RTD.