Instituto Tecnológico de Durango CIEEA 2006 Bienvenidos.

Instituto Tecnológico de DurangoCIEEA 2006

Bienvenidos

INSTRUMENTACION

José Rivera Mejía http://www.depi.itchihuahua.edu.mx/jrivera

Durango Dgo. / 14 de marzo 2006

Congreso de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Aplicada

Instituto Tecnológico de DurangoCIEEA 2006

J. Rivera (3)

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Laboratorio de Instrumentación y Control

¿ 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.

Instrumentación

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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.

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Introducción¿Qué observamos en el mundo actual?

Medicina.

Comunicaciones.

Transporte

Industrial Hogar ETC.

ETC.

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Introducción.

720 Kb (5 1/4”)

1.4 Mb (3 1/2”)

64,128.. Mb... 1Gb

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Limitados en funciones

• Cámara.• Multimedia.• Internet.• PDA´s• Juegos• Etc.

Introducción.

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http://earth.google.com/

Introducción.

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Automóvil Dirección:

Dirección directa (Manual). Dirección asistida Dirección hidráulica.Dirección Activa. Completamente eléctrica El giro del volante no corresponde al giro de las llantas.

Híbridos.

Introducción

TRANSPORTETerrestre

Aéreo ¿….?

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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.

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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].

Instrumentación.

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Instrumentación:

Aplicadas

Medición

Medición y Registro

Control Automático

Dispositivos que ejecutan O.M.

CantidadesF ó Q

Física

Ingeniería

Matemáticas

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Evolución de la Instrumentación.

•Manómetros, termómetros y válvulas

Localmente distribuidos, trabajo empírico, muchos hombres

Instrumentaciónmanual

•Centralización de funciones de medida y control más importantes del proceso.

•1950, Aparecen los primeros intrumentos electrónicos.

•1947, Instrumentción neumática en miniatura.

•1940, Transmisores y receptores neumáticos.

•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.

Instrumentaciónen paneles locales

Instrumentación en salas de control

Paneles semigráficosde alta densidad

Salas de control dealta densidad

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Evolución de la Instrumentación (cont).

•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 endiferentes cuartos de Control.

Paneles semigráficosde alta densidad

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.

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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.

Clasificación de la Instrumentación.

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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.)

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Partes de un instrumento básico.

Indicador, Registrador

Ele m e ntop rim a rio d e se nsa d o

Ele m e nto d e c o nve rsió n

Ele m e nto d e m a ne jo d e la va ria b le

Tra nsm isió n d e d a to s

A lm a c e na m ie nto d e Info rm a c ió n

Pre se nta c ió n d e d a to s

O b se rva d o r

M e d io am e d ir

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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.

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Instrumentación y Control de Procesos.

Tipos de Control: Manual. Automático:

Todo-Nada (on-off). Proporcional. P + I + D Adaptivo. Difuso.

Deslizante.

Redes Neuronales

(Inteligente).

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La Instrumentación en la Calidad y la Globalización.

Instrumentación

Calidad Calidad Total Calidad de Clase Mundial

CIMP ISO´s Laboratorios de calibración

Aseguramiento de la Calidad

Etc.

CertificaciónAcreditación

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Precisión, exactitud.Incertidumbre

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Patrones Internacionales

- Se establecen por acuerdo Internacional.

- CIMP, (Oficina Internacional de pesas y medidas, Sevres, Fr)

Patrones Primarios.

- Se encuentran en diferentes partes del mundo.

- U.S.A. National Bureau of Standars (NBS) en Washintong.

- México,1994, Centro Nacional de Metrología, CENAM

Patrones Secundarios

- En distintas lugares de un país - Laboratorios de calibración.

Patrones de Trabajo

- Herramientas de trabajo: En un laboratorio de mediciones. Depto. de Calidad.

Patrones de medición

Traz

abili

dad

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Presente _ Futuro de la Instrumentación

Principio del Siglo XXI

Asociaciones entre grupos. Consolidación:

Hardware programable. Dispositivos

autoconfigurables. Nuevas formas de medición. Instrumentación Inteligente. Estandarización en la

fabricación de dispositivos. Certificación y/o acreditación

de plantas físicas. Certificación y acreditación de

recursos humanos.

Siglo XX

Sistemas de comunicación. Alta densidad de integración en

semiconductores. Avances en las áreas de Mat.,

física, etc.

Instrumentación Inteligente

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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.

J. Rivera (26)

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Sensor Inteligente.

Sensores Inteligentes (smart sensors, 1997 IEEE 1451.2).

Transductor Acondicionador de señal

ADC

Interfase de usuario

Algoritmos de aplicación

Almacenamiento de datos

Comunicación

Sensor inteligente

Actuador inte ligente

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Sensor Inteligente.

Niveles o grados de Inteligencia de un Sensor

J. Rivera (28)

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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.

Sensor Inteligente.

J. Rivera (29)

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MCU´s para Sensores Inteligente.

S e n s o rsa lid a

a n a ló g ic aA c o n d ic io n a d o r

d e se ñ a l

A /D

M e m o riaM C U /D S P

S e n s o rsa lid a


d e se ñ a l

A /D


S e n s o rsa lid a


d e se ñ a l

A /D

M C U /D S PM e m o ria

S e n s o rsa lid a


d e se ñ a l

A /D


J. Rivera (30)

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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.

MCU´s para Sensores Inteligente.

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Sensor Inteligente (Niveles de integración).

MEM´S

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Instrumentación Inteligente.

Com putadora Principal (Servidor)

Interruptor Ethernet

PLC

Ethernet (HSE)

H1

AI 101 PID 101AO 101

H1

Proceso 1 Proceso 2 Proceso N

I/O Rem oto

Ethernet de alta velocidad

J. Rivera (33)

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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.

J. Rivera (34)

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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.

J. Rivera (35)

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Protocolo 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)

CAN Robert Bosch GmbH

VAN ISO

A-Bus Volkswagen AG

D2B

MI-Bus Motorola

TTP University of Wien, Austria


Protocolos en la Industria Automotriz.

J. Rivera (36)

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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.

J. Rivera (37)

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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 en la Industriales.


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

J. Rivera (38)

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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 Abierta

Protocolos Industriales (Comparación )

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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.

J. Rivera (40)

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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.


BACnet Building Automation Industry


IBIbus Intelligent Building Institute

Batibus Merlin Gerin (Frace)

Elbus Alemán

CAB Canadá

Protocolos para automatización de edificios y oficinas.

J. Rivera (41)

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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.

J. Rivera (42)

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J. Rivera (43)

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X-10 X-10 Corp.

Smart House Smart House L.P.

CEBus EIA


Michigan Parallel Standard

Universidad de Michigan

Integrated Smart sensor Bus

Delft University of Technology

Time-triggered protocol

University of Wien, Australia


Ejemplos de trabajos

J. Rivera (45)

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

Ejemplos de trabajos.

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


J. Rivera (47)

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Control y medición Inteligente a través de comunicación en un alambre monitoreado localmente y/o vía Internet.

DS2450

DS2760

DS2890


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Interfase OPTO-GPRS para el monitoreo de parámetros eléctricos a través de internet.

Miguel Angel Aguilar Contreras


J. Rivera (49)

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d1=100umD=1000um


Medición milimétrica de variables aleatorias por visión.

J. Rivera (50)

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• Matemáticas. • Exactitud y Calidad en la Medición.• Lógica Difusa.• Redes Neuronales.• Teoría de Confiabilidad.

• Linealización.

• Autocalibración.

• Autodiagnóstico.

• Hardware_Programable

• Etc.

AlámbricoE Inalámbrico


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Sistemas de Monitoreo y/o Control Distribuido

............

1

............ssS N


Conclusiones.

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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:

J. Rivera (54)

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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:

J. Rivera (55)

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Seguir muy de cerca los cambios: Semiconductores.

Límite de velocidad ? Límite de integración ?

MEM´s Sistemas ópticos. Materiales magnéticos

Conclusiones:

J. Rivera (56)

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Conclusiones.

Matemáticas.

Física, Química.

Ingeniería:

Electrónica.

Comunicaciones.

Computación.

Industrial.

Desarrollo Humano.

Confiabilidad

Ambiental.

Fuentes alternas de energía

Bases para el desarrollo, uso y aplicación de la Instrumentación (presente_futuro).

J. Rivera (57)

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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.

J. Rivera (58)

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Muchas Gracias por su atención.

Email: [email protected]://www.depi.itchihuahua.edu.mx/jrivera

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