DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE
UN SENSOR INTELIGENTE DE
NIVEL
1 de junio de 2011
AUTORES
LUISA FERNANDA CASAS DÍAZ Cod: 20092283030
FABIAN GARCÍA BUSTOS Cod:20092283010
DIRECTOR
ING. ALBERTO DELGADILLO
INGENIERÍA EN CONTROL
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
Índice
1. INTRODUCCIÓN 3
2. ESTADO DEL ARTE 3
2.1. Sensores inteligentes y su funcionamiento . . . 3
2.2. Técnicas de compensación integrables . . . 4
2.3. Los sistemas de control distribuido (DCS) . . . 4
2.4. Estándar IEC 61499 . . . 6
3. JUSTIFICACIÓN 7 4. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 8 5. OBJETIVOS 8 5.1. Generales . . . 8 5.2. Específicos . . . 8 6. ALCANCES Y LIMITACIONES 9 7. RESULTADOS ESPERADOS 9 8. METODOLOGÍA 9 9. CRONOGRAMA 10
Índice de figuras
1. Partes de un sensor inteligente básico[4] . . . 42. Esquema de un sensor de silicio con actuador térmico con auto calibración[5] . . . 5
3. Planta EnAS. Sistema de control distribuido basado en IEC 61499 . . . 5
4. Elementos de automatización de un DCS básico . . . 6
5. ECC para la planta de estudio EnAS [3] . . . 7
1.
INTRODUCCIÓN
Los sensores inteligentes son dispositivos cuyo uso se ha generalizado y ha tenido una acogida importante en diversos campos de la industria (Bioin-geniería, biomedicina, refinería, etc) debido a la versatilidad y capacidad de trabajar en ambientes hostiles (Ambientes en los cuales el acceso de los tra-bajadores de campo es limitado). Esto ha despertado gran interés y nos ha llevado a iniciar el estudio especifico de un sensor inteligente de nivel, para lo cual hay que tener en cuenta una serie de características que lo define: minia-turización, autonomía, seguridad, velocidad y capacidad de almacenamiento; estás características serán de gran importancia a la hora de efectuar el diseño e implementacion del mismo.
2.
ESTADO DEL ARTE
Actualmente se distribuyen sensores inalámbricos inteligentes de baja po-tencia a grandes distancias en diversos tipos de indutrias. Las plataformas de redes de sensores inalámbricos (WSN) ofrecen hardware de medición que es capaz de ejecutarse con tecnología de baterías estándar por hasta tres años. Estos sensores forman mallas de redes al transmitir datos de regreso a un concentrador central que agrega los datos y proporciona conectividad a la red cableada. Con estos sistemas, los ingenieros pueden tomar mediciones en ubicaciones que no habían sido posibles o económicamente viables[2][5].
Dada la situacion actual del uso de sensores inteligentes en el entorno industrial y su alta importancia dentro de un sistema de control, es hora de integrarlos a un sistema de control distribuido que permitirá el procesamiento de las señales arrojadas por los sensores y a su vez tomará las acciones de control pertinentes para el desarrollo pertinente del proceso[1].
2.1.
Sensores inteligentes y su funcionamiento
Teniendo en cuenta lo anterior, es importante definir claramente que es un sensor inteligente. Se denomina sensor inteligente a la integración de un sensor análogo o digital con un procesador, una memoria y un controlador de red. El sensor genera una señal calibrada (ya que tiene la posibilidad de auto calibración) acondicionada y digital que se rige por un protocolo de
Figura 1: Partes de un sensor inteligente básico[4]
comunicaciones. Este tipo de sensores tiene la posibilidad de conectarse con un número elevado o mediano de sensores de este mismo tipo.
La figura 1 hace referencia a los bloques contenidos en un sensor in-teligente básico que mide una variable determinada:
2.2.
Técnicas de compensación integrables
Una de las funciones que debe realizar la interfaz con un sensor es com-pensar interferencias y perturbaciones que afectan su salida. Una forma de hacerlo es mediante un microcontrolador que almacene en memoria el valor de una serie de parámetros de referencia que permitan corregir el valor de salida del sensor. Si por ejemplo, se almacenan los valores de salida correspon-diente a tres entradas determinadas se pueden corregir los errores de cero, ganancia y de cierta manera no linealidad. En el caso de una relación lineal entre la entrada X (Magnitud a detectar) y Y (Tensión, corriente, frecuencia y periodo)
Si la sensibilidad p y la salida para X=0, q varían por efecto de fac-tores agenos a X, se puede determinar midiendo la salida respectiva para dos entradas conocidas.
En la figura 2 se muestra el esquema de un sensor con auto calibración.
2.3.
Los sistemas de control distribuido (DCS)
El (DCS) es una de las plataformas mas modernas de control, éste tipo de sistemas cuenta con las características propias de un sistema de control típico como: 1. Proporcionar información en tiempo real sobre un proceso determi-nado (Flujo de información) 2. Controlar las variables de interés (Tomar acciones de control) 3. Optimizar el rendimiento del proceso Pero princi-palmente, este tipo de sistemas se han desarrollado para manejar grandes
Figura 2: Esquema de un sensor de silicio con actuador térmico con auto calibración[5]
Figura 3: Planta EnAS. Sistema de control distribuido basado en IEC 61499
volúmenes de información a través de centros de supervisión, lo cual es posi-ble en gran medida porque (muchos de ellos) tienen la característica de ser sistemas abiertos que permiten la integración con equipos de otros fabri-cantes, además, canalizan la información a través de redes de comunicacion de alta velocidad, supervisan y monitorean las diferentes variables de proceso de la planta y hacen posible el acceso a la información en diferentes puntos de éste lo que posibilita el análisis de rendimiento, producción y mantenimiento del sistema como tal. En la figura 3 y 4 se muestra un ejemplo de un sistema de control distribuido implementado en la planta de aplicación EnAS como objeto de estudio de los DCS basados en el estándar IEC 61499 y el ezquema de los elementos de automatización que la componen.
Actualmente el diseño y verificación de controles distribuidos de acuerdo al estándar IEC 61499 es uno de los temas más cruciales en la industria, ya
Figura 4: Elementos de automatización de un DCS básico
que con el fin de llegar a la reutilizacion de los controladores, fue propuesto un tipo de arquitectura de control jerárquico, esta arquitectura distribuida in-cluye controladores maestros como una composición en capas. A cada objeto básico de automatización le será asignada una tarea reutilizada del contro-lador el cual manipulará todas las operaciones básicas de este componente.
2.4.
Estándar IEC 61499
El IEC 61499 hace referencia a un estándar usado en la caracterización de la arquitectura abierta para la rama del control e instrumentación dis-tribuidos. Ésta representa una amplia solución que proporciona cualidades esenciales tales como el manejo de la encapsulación, reutilización e inter-operabilidad y demás propiedades que permiten el desarrollo de sistemas de control distribuidos. Incluye protocolos para redes de procesos y comuni-cación como ambiente de sistemas embebidos, recursos y aplicaciones. Dichas aplicaciones son construidas por redes de bloques de funciones, los cuales son el modelo elemental del estándar IEC61499 y generalmente proporcionan una interfase para eventos I/O y datos I/O.
Existen dos tipos de bloques de funciones: uno es el denominado BLO-QUES DE FUNCIONES BÁSICOS y el otro es BLOBLO-QUES DE FUNCIONES COMPUESTOS. Un bloque de funciones compuesto puede contener en si mismo otro bloque de funciones compuesto y/o uno o más bloques de fun-ciones básicos, por lo tanto los bloques de funfun-ciones compuestos permiten el amplio diseño de diversas metodologías. Los BLOQUES DE FUNCIONES BÁSICOS incluyen listas de control de ejecución de eventos (ECC en su sigla en inglés) las cuales son similares a las máquinas de estado. Los elementos
Figura 5: ECC para la planta de estudio EnAS [3]
que componen las ECC son estados y transiciones activada por eventos. Una ECC puede ejecutar la activación de algoritmos por medio de la ocurrencia de un evento. Un algoritmo ejecutado produce nuevos datos de salida a partir del dato de entrada. Cuando el algoritmo ha terminado, se genera un evento de salida. Sin embargo, un evento de salida puede ser generado aún cuando éste no es resultado de la ejecución de un algoritmo. Los eventos de salida también pueden ser eventos de entrada para otro bloque de funciones.
El estándar IEC 61499 proporciona:
Una aproximación de modelado genérico para aplicaciones de control distribuido
Concepto de bloques de funciones.
Separación del flujo de datos y eventos.
En la figura 5 se muestra un ejemplo de ECC para la planta de estudio EnAS[1]
El estándar IEC 61499 permite una aproximación de modelado genérico para aplicaciones de control distribuido por medio del concepto de bloques de funciones y la clara separación del concepto de flujo de datos y eventos.
3.
JUSTIFICACIÓN
En el campo de la ingeniería se ha hecho de gran importacia la medición de determinadas variables que interactúan en los diferentes procesos industriales
de producción, esto ha llevado al uso de cantidades considerables de sensores de los cuales se demanda bajo costo, calidad de medición y capacidad de integración pero además que sirvan como un apoyo más en la calibración y en la toma y procesamiento de datos en zonas donde el acceso al personal es limitado. A los sensores que tienen esta capacidad se les denomina sensores inteligentes, y la idea de desarrollar este trabajo es ahondar en el uso de este tipo de sensores por medio del diseño e implementación de uno de ellos que mida la variable nivel.
4.
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
El problema que se ha presentado y por el cual se está desarrollando esta temática es debido a que se requiere obtener datos de mediciones exactas en lugares remotos a través de determinados sensores, donde no es posible (o es muy dificil) el acceso a ellos por medio de un operario o un equipo de trabajo; especialmente en el caso de la industria petroquímica. Además de eso, muchos de los sensores no son fácilmente integrables a un sistema de control distribuido que en la actualidad es uno de los modelos más eficientes de control y que se está generalizando de forma vertiginosa. En esta medida, el grupo de investigación INTEGRA tiene como preocupación que el estudiante se acerque de una forma más acertada a la industria y a sus procesos, y el desarrollo de este tipo de proyectos permite no solo un mejor conocimiento de éstos sino una visión global de algunos apartes de los procesos industriales de la actualidad.
5.
OBJETIVOS
5.1.
Generales
Diseñar e implementar un sensor inteligente que mida la variable presión y permita ser integrado a un sistema de control distribuido.
5.2.
Específicos
Diseñar un algoritmo de control que permita al sensor tomar la variable requerida (nivel) y darle tratamiento a los datos adquiridos.
Definir un protocolo de comunicación entre el sensor y el PLC.
Reducir el nivel de interferencia y perturbaciones a la salida del sensor.
6.
ALCANCES Y LIMITACIONES
Se llegará únicamente al diseño e implementación de un sensor de tipo inteligente de nivel. Este será un aporte a un sistema de control global que se estará compuesto por diferentes etapas desarrolladas por otros integrantes del grupo de investigación INTEGRA. Las posibles limitaciones podrían darse por retrasos en alguna de las etapas relacionadas con los procesos del PLC principal al cual llegará toda la información del sensor desarrollado.
7.
RESULTADOS ESPERADOS
Lo que se pretende lograr es el diseño e implementación de un sensor de tipo inteligente que sea integrable de forma amable y confiable a un PLC dentro del sistema de control distribuido especificado por el grupo de investi-gación INTEGRA. Esto deberá reallizarse apoyándose en la norma IEC61499.
8.
METODOLOGÍA
Implementar el prototipo de un sensor inteligente de nivel, eligiendo los mejores componentes para su funcionamiento y desarrollando el algoritmo de control adecuado para su funcion dentro del sistema de control. Esto sin desligarse del conocimiento específico del sistema de control completo al que va a ser incorporado, identificando qué requiere el sistema de control del desarrollo que estamos realizando y de igual manera, que requerimos nosotros del sistema de control para el correcto funcionamiento de la globalidad del proceso.
Figura 6: Cronograma
9.
CRONOGRAMA
El cronograma definido para el desarrollo del proyecto, es el que se mues-tra en la figura 6. En los lapsos de tiempo especificados, se mues-trata de pre-supuestar los posibles inconvenientes que se presenten, bien sea internos (del desarrollo del sensor) o externos (relacionados con el sistema de control en el que se va a implementar el sensor)
Referencias
[1] IEC61499 - international standard for distributed systems. http://www.iec61499.de/index.htm.
[2] Instrumentation newlsletter - julio_septiembre_2010.pdf - disponible en: www.ni.com.
[3] Ioanna IvanovaVasileva Christian Gerber HansMichael Hanisch -"Basics of Modelling IEC 61499 Function Blocks with Integer-Valued Data Types". IMS’08: 9th IFAC Workshop on Intelligent Manufacturing Systems October 9-10, 2008, Szczecin, Poland.
[4] red de sensores inteligentes para medidas de parametros ambientales us-ando una arquitectura distribuida". presentado en xi congreso nacional de teledeteccion, puerto de la cruz. tenerife, 21-23 septiembre 2005. disponible en: http://www.aet.org.es/congresos/xi/ten126.pdf.
[5] Sensores inteligentes e intrumentacion digital.pdf - Disponoble en http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO7.pdf .
