CAPÍTULO 7. INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL by ijk77032

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									                                                                          TEMARIO


            CAPÍTULO 7. INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.

7.1. INTRODUCCIÓN.

       De acuerdo al sentido común, un dispositivo virtual es un objeto que posee la capacidad
de producir un efecto, sin estar presente físicamente. Es por esto que la denominada
Instrumentación Virtual ha revolucionado el mercado de la Instrumentación principalmente
porque no es necesario disponer físicamente de los Instrumentos para realizar aplicaciones.

       Desde principios de la década del '80, y siguiendo la tendencia de la Tecnología y del
Mercado, varias compañías comenzaron a desarrollar sistemas para implementar aplicaciones
basadas en Instrumentación Virtual, esto debido principalmente a la eficiencia y beneficios de
esta nueva tecnología, permitiendo de esta forma que el usuario configure y genere sus propios
sistemas logrando de esta forma: alto desempeño del sistema, Flexibilidad, Reutilización y
Reconfiguración. A la par con estos beneficios se logra una notoria disminución de costos de
desarrollo, costos de mantenimiento, etc.


7.2. INTRUMENTACIÓN TRADICIONAL V/S INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.

        En la instrumentación Tradicional, el instrumento actúa totalmente aislado, con
capacidades predefinidas por el fabricante, conjunto de entradas y salidas fijas, interfaz con el
usuario basada en botones, perillas, led y display que permiten controlar o cambiar algunas de
las características del instrumento que en el fondo es un dispositivo electrónico que contiene
Amplificadores de Instrumentación, Filtros, Conversores A/D, Microprocesadores, Memorias y
Buses de comunicación para poder convertir y representar una señal eléctrica en forma numérica
o a través de un display o un gráfico, es por esto que el Instrumento Tradicional representa una
arquitectura cerrada, impidiendo realizar algún cambio en su funcionalidad, debido a que
necesariamente cualquier modificación pasa por realizar cambios en la circuitería interna del
equipo, lo que evidentemente es muy poco factible.

        La Instrumentación Virtual por otra parte aprovecha el bajo costo de los PC o estaciones
de trabajo y su alto grado de rendimiento en procesos de análisis para implementar Hardware y
Software que permiten al usuario incrementar la funcionalidad del instrumento tradicional. Sin
embargo, la importancia fundamental de esta herramienta, es que permite al usuario establecer
las características del instrumento y de esta forma sus potencialidades y limitaciones. Por medio
de la instrumentación Virtual se pueden emular una gran cantidad de instrumentos tales cono
Multímetros, Osciloscopios, Analizadores de señal, agregando además características tales
como: Análisis numérico, Visualización, Almacenamiento y Procesamiento de datos, entre otras.
Tal vez el principal inconveniente es la inversión inicial que involucra adquirir Software y
Hardware, pero debido a que estos son completamente Reutilizables se traduce en beneficios a
mediano y largo plazo.
7.3. ESTADO DEL ARTE EN INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.

        La Instrumentación Virtual está siendo utilizada actualmente por una gran cantidad de
Industrias y está aumentando el número y la variedad de aplicaciones. Con respecto a los
sistemas desarrollados con productos National Instruments (disponibles en el laboratorio del
DIE), se pueden señalar algunas aplicaciones a nivel Industrial publicadas por dicho fabricante
en Instrumentación Newsletter y AutomationVIEW:

     •   Monitoreo y Control de Reactor Nuclear en Comisión Chilena de Energía Nuclear.
     •   Sistema de supervisión de Plantas de Cemento.
     •   Automatización de Planta de Asfalto, Concreto y Gas Natural.
     •   Control y monitoreo de aplicaciones a través de Internet.
     •   Sistema de Predicción de Fallas en mantenimiento predictivo de aeronaves.

       La lista de aplicaciones es muy extensa existiendo además implementaciones con
Instrumentación Virtual en ambientes docentes de Universidades Mexicanas, Colombianas,
Norteamericanas y Europeas.

        Así como National Instruments posee herramientas para desarrollar Instru-mentación
Virtual, existen otras empresas que también las proveen. Entre las más conocidas están
Advantech con su software GENIE y sus dispositivos de Adquisición de Datos, Cyber TooIs y
Cyber View que entregan software y Drivers para manejar una gran variedad de Hardware y toda
la gama de empresas que disponen de herramientas similares para generar sistemas SCADA e
interfaces MMI.


     7.4. COMPONENTES DE UN SISTEMA BASADO EN INSTRUMENTACIÓN
                               VIRTUAL.

        Los sistemas basados en PC que permiten desarrollar aplicaciones con Instrumentación
Virtual, tienen una estructura que se puede dividir en tres componentes fundamentales:
Hardware de Adquisición de Datos y Acondicionamiento de Señal, Computador Personal y
Software. Sin embargo, en cualquier aplicación con estos sistemas surgen otros elementos tales
como: Transductores, Bloques Terminales, Cables conectores, etc. De esta forma el diagrama de
bloques de una aplicación de Instrumentación Virtual como la disponible en el laboratorio de
control automático del DIE, puede representarse de la siguiente forma:
       Figura 7.1. Diagrama de bloques de un Sistema basado en instrumentación Virtual.

        La función de cada uno de estos componentes es fundamental para el desarrollo de
aplicaciones en Instrumentación Virtual, es por esto que se definirán brevemente las
características de cada uno de estos elementos.

7.4.1. Transductores.

        Son los elementos que tienen la capacidad de transformar una señal en una de naturaleza
distinta. Es así como se tienen transductores que pueden sensar un fenómeno físico, entregando
una señal eléctrica con la información necesaria para interpretarlo y otros que pueden actuar
sobre un fenómeno determinado mediante la generación de señales. Las señales provenientes de
ciertos transductores son ingresadas al sistema de adquisición de datos en forma de Voltaje o
Corriente, dependiendo esto último exclusivamente del Transductor y de la Tarjeta Adquisidora.

       Si tenemos transductores que se relacionan directamente con los actuadores (Generación
de señal), las señales provenientes del Sistema de adquisición, ya sean de Voltaje o Corriente
deben conectarse en forma adecuada a estos transductores de acuerdo a su principio de
funcionamiento, teniendo en cuenta las limitaciones de las tarjetas de adquisición en la entrega
de señales, especialmente limitaciones de corriente.

7.4.2. Bloques Terminales.

        Estos elementos constituyen la interfaz de conexión entre los transductores y los Sistemas
de adquisición y acondicionamiento de señal. Son simplemente bloques similares a las borneras,
pero presentan características adicionales que los hacen muy útiles, como por ejemplo algunos
incluyen RTD conectados a un canal de adquisición dedicado para realizar la compensación de
cero cuando se mide temperatura con termocuplas. Otros Bloques tienen conjuntos de
resistencias de precisión para realizar lectura de señales de corriente.

7.4.3. Hardware de Acondicionamiento de Señal.

       Las señales eléctricas generadas por los Transductores deben ser acondicionadas para
poder ser adquiridas por el Hardware. Los accesorios de acondicionamiento permiten Amplificar,
Aislar y Filtrar para realizar mediciones más exactas y además, Multiplexar y Excitar
Transductores como Strain Gauges y RTD. Además permiten aumentar el número de canales
para aplicaciones que así lo requieran.

7.4.4. Hardware de Adquisición de Datos.

       Estos dispositivos son fundamentales para implementar cualquier aplicación en
Instrumentación Virtual, ya que permiten relacionar en forma directa el concepto Virtual
desarrollado en el computador y el concepto Instrumentación que se desarrolla en terreno, ahí
donde están los Sensores y Actuadores, transformándose así en una interfaz absolutamente
necesaria.

7.4.5. Cables de Conexión.

        La necesidad de conectar equipos entre sí es evidente, más aún cuando se trata de
dispositivos de naturaleza distinta, por ejemplo PC y Hardware de Adquisición. Es por esto que
cada etapa de la aplicación deberá ser cableada con un tipo de cable conector apropiado y que
cumpla las condiciones mínimas de compatibilidad para asegurar un correcto funcionamiento.
Los cables conectores típicos son los que presentan aislación permitiendo tener mayor
inmunidad al ruido y una conexión robusta y tos cables planos que por lo general son de muy
bajo costo, flexibles y menos robustos siendo de esta forma, más propensos al ruido.

7.4.6. Computador.

        El Computador, ya sea PC o Portátil puede afectar drásticamente el desempeño de un
sistema, principalmente porque puede potenciar o limitar las aplicaciones de Software y de
Adquisición de Datos. Hoy en día la Tecnología basada en procesadores Pentium y PowerPc, y
agregando el alto desempeño de la arquitectura de los buses PCI, USB, y el tradicional bus
ISA/EISA y Machintosh NuBus, entregan una herramienta poderosa, sobre todo, en velocidad.
Además con la posibilidad de utilizar PCMCIA para PC portátiles, permiten desa-rrollar
aplicaciones que entregan una mayor flexibilidad y movilidad. El desarrollo que ha tenido la
transferencia de datos DMA en algunas arquitecturas de Computador, permite incrementar la
tasa de transferencia y así la velocidad del sistema. De acuerdo a la arquitectura del computador
y las características del Hardware se debe escoger el sistema operativo y el Software de
aplicación que entreguen mayores beneficios a la hora de establecer aplicaciones.

7.4.7. Software.

        El Software transforma al PC, Hardware de Adquisición y Acondicionamiento de señales
en un sistema completo de adquisición y generación de señales, análisis, procesamiento y
visualización de datos, es decir, es el último y tal vez uno de los más importantes ingredientes
para realizar una aplicación de Instrumentación Virtual. A la hora de elegir el Software adecuado
se debe considerar entre otras cosas:

    • Compatibilidad con el Hardware de Adquisición y Acondicionamiento.
    • Funcionalidad expresada en Drivers para manejar un determinado Hardware.
    • Sistema operativo bajo el cual opera.
    • Potencialidad y Flexibilidad.
    • Dificultad y complejidad en la programación.

        De acuerdo a las características antes mencionadas, el usuario podrá implementar y
desarrollar sistemas a la medida de sus necesidades, entregándote una poderosa herramienta para
realizar expansiones, modificaciones y generación de nuevos sistemas y aplicaciones en
Instrumentación, Control, Monitoreo y Automatización de Procesos Industriales.


7.5. PROGRAMACIÓN GRÁFICA.

        Existen muchos lenguajes de programación en el mercado. Algunos de ellos utilizan la
denominación “visual” en su nombre ( Ej. Visual C, Visual Basic, etc.). Lo cierto es que la
mayoría de estos lenguajes son no más del 50% visuales, ya que están basados en una
combinación de objetos gráficos y texto. Sin embargo, si existen lenguajes de programación
100% gráficos, es decir, lenguajes que permiten programar y desarrollar una aplicación sin
utilizar texto, y este tipo de lenguaje de programación es el que permite el desarrollo de los
instrumentos virtuales. El principio o paradigma de programación utilizado por este lenguaje
gráfico se basa en cuatro (4) elementos básicos:

   •   El uso de íconos, cables gráficos y controles-indicadores.
   •   Programación en base a un diagrama de bloques
   •   El uso de dos (2) ventanas de programación: panel de controles y panel del diagrama
   •   Ejecución del programa en base al flujo de datos, en forma paralela.

        La programación con diagramas de bloques se basa en íconos o bloques gráficos que se
interconectan entre sí a través de “cables gráficos” (ver Figura 7.2). Los datos “fluyen” entre los
bloques o funciones a través de los “cables gráficos”. Cada bloque o función cuenta con
terminales de entrada en el lado izquierdo, y terminales de salida, en el lado derecho. Cada
bloque se ejecuta cuando todos los datos de entrada son recibidos en los terminales de entrada,
permitiendo la ejecución paralela de más de un bloque en un mismo programa. Cada programa
de este tipo se denomina “Instrumento Virtual” ó VI (según sus siglas en el idioma inglés), y
puede incluir uno ó más sub-Vis como una especie de subrutina.

       En estos ambientes de programación, a cada tipo de dato (entero, punto-flotante, cadena
de caracteres, etc.) se le asigna un color específico, lo que permite su rápida identificación en el
código fuente.

       De esta forma, se puede desarrollar una aplicación completa, basada en un lenguaje de
programación altamente intuitivo, fácil de aprender, pero a la vez, tan poderoso y rápido como
cualquier otro lenguaje.
Figura 7.2. Aplicación desarrollada en programación grafica con software LabVIEW.
7.6. BIBLIOGRAFÍA.

[1]. Martínez Reynaldo; “Instrumentación virtual industrial para uso educativo”. Tesis
     Universidad de Santiago; 1999.

[2]. Alvarado Igor; “Simulación y control de procesos con programación gráfica”; BS ME,
     Kansas State University.

[3]. “Data Acquisition (DAQ) Fundamentals; Application Note 007; National Instruments
     (http://www.ni.com/latam)

								
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