CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
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CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Para el desarrollo de esta investigación fue necesaria la revisión y consulta de otros proyectos que, de alguna manera, estuvieron vinculados a este trabajo en cuanto a los objetivos y requerimientos planteados, es por esto que se tomaron en cuenta para iniciar la ejecución de este proyecto. A continuación se exponen ciertas investigaciones que se consideraron:
Gutiérrez (1997) desarrolló el Proyecto de Tesis de Grado titulado
“Diseño e Implementación de una Interfase Gráfica Hombre – Máquina para el Sistema de Adquisición de Datos y Control Supervisorio (SCADA) eléctrico de Lagoven S.A. usando como herramienta el editor gráfico del PRODIAC III for Windows”
En este trabajo se desarrolla una Interfaz Hombre – Máquina que al instalarse en el sistema SCADA de la empresa Lagoven S.A. se encarga de supervisar y controlar la instalación del Lago de Maracaibo. El sistema SCADA requería mantenimiento en sus estaciones remotas y funciones de verificación de alarmas. Es por ello que se desarrolla esta interfaz que
permite presentar de forma clara, eficaz y rápida las señales de alarmas provenientes de campo.
Esta investigación, al igual que la presente busca la mejor forma de presentar la información al operador. Asimismo, busca diseñar unos lineamientos, guías o estándares que se tomarán en cuenta para los despliegues de información, colores, diálogos y acciones de seguridad de la Interfaz Hombre – Máquina, así como sus especificaciones funcionales de diseño.
Un año más tarde, Gonzalez (1998) realizó un trabajo llamado
“Desarrollo de un Sistema de Control y Adquisición de Datos para la Automatización de Pozos BES (Bombas Electrosumergibles). Caso: STM”.
En esta investigación, el autor laboró con una RTU Moscad de Motorota bajo el protocolo DNP 3.0. Para realizar el diseño de la Interfaz Hombre – Máquina se utilizó el software Intouch 7.0 de Wonderware con lo que se logró que los operadores visualizaran todas las variables de cada uno de los pozos automatizados, basados en 1 minuto de poll lo que permitió reducir la producción diferida, que era el principal objetivo de esta investigación.
Por otra parte, Sanabria y Espósito (1998) realizaron un estudio titulado “Desarrollo del Estándar de la Interfase Hombre – Máquina del Sistema de Automatización de manejo de crudo”. Caso: División de Operaciones de Producción, Maraven S.A.
En este trabajo se desarrolla un estándar para la Interfaz Hombre – Máquina, cuya función principal es la del manejo de crudo en patios de
tanques y terminales de embarque de la División de Operaciones de Producción de Maraven.
Se utilizó una metodología propia de los autores, basada en tres fases:
familiarización, diseño preliminar y prototipo. Como resultado, se logró obtener una serie de especificaciones funcionales del estándar de la interfaz y, luego de estudiar las alternativas del mercado, se seleccionaron las herramientas mas adecuadas para el caso planteado.
El sistema seleccionado para poder desarrollar la interfaz fue OASyS de Valmet ya que todos los requerimientos de la empresa son cubiertos con las características que presenta este programa.
Otro trabajo de investigación relacionado con el presentado en este trabajo fue el realizado por Machado (1999), que se titula “Desarrollo de una Interfaz Gráfica para la detección de fallas y alarmas en el sistema de supervisión de la Red Digital Microonda Lago, caso Maraven S.A.”.
Esta investigación concluyó en el diseño de una interfaz gráfica que permite presentar en forma clara, eficaz y rápida las señales de alarmas provenientes de las estaciones supervisadas.
Para realizar esta tarea, el autor trabajó bajo un sistema previamente instalado por Maraven S.A. que cumple funciones de supervisión y control en las instalaciones ubicadas entre Lago de Maracaibo.
Este sistema se conoce como Sistema de Supervisión DAS64, instalado en el Centro de Telecomunicaciones Lagunillas. Al momento de la investigación del autor, éste terminó que el sistema presentaba fallas en la
visualización de las estaciones supervisadas y en la detección de las alarmas.
La metodología utilizada en esta investigación fue orientada a objetos, la cual se define como la presentación de un conjunto de objetos y los pasos a seguir para su enlace respectivo. Al final de este trabajo se implantó y se dejó en funcionamiento la interfaz gráfica desarrollada.
Ollarves y Pirela (2000) llevaron a cabo el proyecto “Sistema de Supervisión y Control de datos a través de una unidad terminal remota utilizando un enlace de comunicación vía radio para la interconexión de un computador de flujo con una sala de control. Caso: Preussag Energie Cabimas”. En este trabajo los datos de campo se obtienen a través de un computador de flujo ubicado en el patio de tanques H – 7 de la mencionada empresa. El objetivo era capturar de forma automática las variables de proceso en tiempo real para, de esta manera, aumentar la efectividad y confiabilidad de la adquisición de información.
La metodología estuvo basada en la expuesta por la empresa STM en su ingeniería de detalle para la realización de proyectos de supervisión y control. Está compuesta por cuatro fases: descripción del sistema actual, identificación de las variables de entrada y salida, programación – configuración y diseño detallado de la arquitectura seleccionada.
El aporte de estas investigaciones para el presente trabajo es de suma importancia, ya que representaron apoyos teóricos y prácticos en cua nto al desarrollo de la interfaz gráfica hombre – máquina, por lo que sus métodos y
técnicas de trabajo proveen ciertas ideas para la realización de esta investigación.
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
Esta se realizó en función de todos los elementos que forman el sistema de supervisión, control y adquisición de datos, necesarios para automatizar la Unidad LACT de La Paz.
2.1. SISTEMAS DE CONTROL
El control automático ha jugado un papel importante en el avance de la ciencia y de la ingeniería. Además de su extrema importancia en vehículos espaciales, sistemas de guía de misiles, sistemas de piloto automático de aeronaves, sistemas robóticos y otros; en los cuales, el control automático se ha vuelto parte integral e importante de los procesos industriales y de manufactura moderna. Por ejemplo, el control automático resulta esencial en el control numérico de las máquinas en las industrias manufactureras.
También resulta imprescindible en operaciones industriales como el control de presión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo en las industrias de transformación.
Como los avances en la teoría y práctica del control automático brindan medios para lograr el funcionamiento óptimo de sistemas dinámicos, mejorar la productividad, liberarse de la monotonía de muchas operaciones
manuales rutinarias y re petitivas, y otras ventajas, la mayoría de los ingenieros y científicos deben poseer un buen conocimiento en este campo.
Ahora bien, es necesario definir antes que nada, lo que es un sistema;
el cual, a rasgos generales es una combinación de componentes q ue actúan conjuntamente y cumplen un objetivo determinado. Este concepto puede aplicarse a fenómenos dinámicos abstractos, como los que se encuentran en economía. Por tanto, el término sistema hay que interpretarlo como referido a sistemas físicos, biológicos, económicos y otros.
En lo concerniente a la ingeniería de control, Ogata (1993) estipula que la variable controlada es la cantidad o condición que se mide y se controla, además representa la salida del sistema. La variable manipulada es la cantidad o condición modificada por el controlador. El término control significa medir el valor de la variable controlada del sistema, y aplicar al sistema la variable manipulada para corregir o limitar la variación del valor medido, respecto al valor deseado.
En una definición más completa, Ogata (1993) expone que un sistema de control es un sistema de regulación manual o automático en el cual la entrada de referencia y las salidas deseadas se mantienen en un valor constante o con una tendencia a variar en el tiempo, siendo el objetivo fundamental proporcionar la salida dentro de los parámetros deseados, en contra de las perturbaciones presentes y capaz de hacer funcionar y comprobar el desempeño de ciertos mecanismos.
Al entender el control automático de procesos primeramente es necesario tener en cuenta tres importantes términos asociados con algún proceso: cantidades controladas, cantidades manipuladas y perturbaciones.
Las cantidades controladas, o variables controladas, son aquellas corrientes o condiciones que el ingeniero desea controlar o mantener en algún nivel deseado, para esto, el ingeniero establece valores deseados o límites.
Cada una de las cantidades controladas son conocidas como cantidades manipuladas o variables manipuladas. En el control de procesos son comúnmente fluidos y, en tales casos, la relación de flujo del fluido es por lo regular manipulado a través del uso de válvulas de control.
Existen perturbaciones que entran al proceso y, por consecuencia, mueven las cantidades controladas sacánd olas de los niveles deseados.
Entonces, es necesaria la aplicación de sistemas de control automático para ajustar las cantidades manipuladas a los niveles deseados manteniendo fijas las variables controladas, a pesar de los efectos de las perturbaciones.
Además, los límites propuestos pueden variar, por lo que puede ser necesario modificar el valor de las variables manipuladas para ajustar la cantidad controlada a su nuevo valor deseado.
Actualmente, el control manual aún es usado en muchas plantas, donde una indicación se obtiene del proceso, este es un indicador que provee al operador una lectura del estado actual del proceso. El operador es capaz de inspeccionar esta indicación visualmente, tomar una decisión y
manipular el flujo que entra al proceso hasta alcanzar un valor deseado de la variable. Este límite de valor deseado está por supuesto en la mente del operador y es quien toma todas las decisiones de control.
El camino más simple para automatizar el control de un proceso es por medio del convencional control con retroalimentación. Para este tipo de control, se instala un sensor o transductor que se va a encargar de medir el valor actual de la variable de control. Este valor es transmitido a un dispositivo de retroalimentación, el cual toma una comparación automática entre el límite de la variable controlada y el valor medido de esta variable. En base a la diferencia de esta comparación (error), el dispositivo de control con retroalimentación calcula una señal que refleja el valor deseado de la variable manipulada. Esta señal es transmitida automáticamente para ajustar el elemento que manipule las entradas del proceso.
Lo mejor de la retroalimentación es que el diseñador no necesita conocer con precisión cual es el disturbio que puede afectar al proceso y por consecuencia, sus efectos en las variables de control.
2.2. SISTEMAS DE MONITOREO
Los sistemas de monitoreo permiten la evaluación de las variables de un proceso industrial permanente en tiempo real. Dichos procesos pueden ser controlados manualmente, en forma neumática o automatizados.
Además, el monitoreo abarca la observación de las perturbaciones originadas por agentes externos.
En efecto, un sistema de monitoreo consta de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, controladores lógico programables) y observando las variables del proceso en forma instantánea desde la pantalla del computador. Además, provee toda la información que se genera en el proceso analizado a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como a otros supervisores pertenecientes a los departamentos de control de calidad, supervisión y mantenimiento.
Según lo expuesto por Barroso (1999), el aprovechamiento de estos sistemas radica en el cumplimiento de los siguientes objetivos:
§ Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa.
§ Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión).
§ Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables para el usuario.
Un buen sistema de monitoreo debe ser capaz de desempeñar eficazmente los siguientes aspectos:
§ Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una situación anormal, con registro de incidencias.
§ Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo.
§ Ejecución de programas, que modifiquen la ley de control, o incluso el programa total sobre el autómata, bajo ciertas condiciones.
§ Posibilidad de programación numérica, que permita realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador.
Con esto, se pueden desarrollar aplicaciones basadas en el PC, con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco e impresora, etc.
2.3. SISTEMAS DE SUPERVISIÓN
Se entiende por supervisión a la adquisición de variables que están relacionadas con el proceso, pero no incluidas dentro de los esquemas de control automático. Estas variables pueden ayudar al operador a tener una visión mas completa de la operación del proceso utilizando la información obtenida para realizar cálculos de operación y producción.
Los sistemas de supervisión son utilizados para recolectar información proporcionada por ciertos equipos y llevarla después a través de un medio de
comunicación adecuado el centro de control, donde se tendrá disponible para analizarla y tomar las decisiones adecuada.
2.3.1. MODOS DE OPERACIÓN
Todo sistema de supervisión funciona basado en un modo de operación definido, con ciertas características que lo hacen diferenciarse de los demás y que aplica algunas teorías de administración de recursos.
Arrieta (1999) define a los modos de operación como los medios por los cuales los nodos obtienen acceso al canal. Son usados para medir entre nodos que compiten para usar un canal y están generalmente clasificados como:
- Reporte Continuo: las estaciones remotas envían la información al centro de control continuamente, obteniéndose así el máximo de velocidad en el envío de los datos. La desventaja de este modo es que se requieren diferentes frecuencias para cada una de las estaciones remotas.
- Reporte Secuencial de Tiempo : cada remota envía su información en un período de tiempo predeterminado, por esto, cada remota tiene un reloj interno que alimenta un contador generador de códigos. Las remotas tienen asignado un código que es comparado con el generado por el contador, cuando son iguales, la remota transmite su información hasta el centro de control. Una vez que todas las remotas han enviado su información, desde el centro de control se vuelven a cero los contadores de las remotas, dando
inicio a un nuevo ciclo de supervisión. Su ventaja con respecto al modo continuo es que se puede utilizar la misma frecuencia para todas las remotas.
- Polling: una estación maestra ubicada en el centro de control central interroga a todas las unidades remotas, ya sea de manera secuencial o en un orden determinado. La unidad remota recibe códigos generados por la estación maestra y los compara con su código asignado, cuando ambos son iguales, la remota transmite su información.
2.4. SISTEMAS SCADA
El sistema SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition), cuyas siglas significan Supervisión, Control y Adquisición de Datos, puede ser definido como un sistema computarizado capaz de monitorear o supervisar las condiciones de las variables mas importantes de un proceso o conjunto de instalaciones localizadas en diversas áreas geográficas, presentando de manera adecuada la información importante para la supervisión y la toma de decisiones por parte de uno o varios operadores en un cuarto de control central, en el cual se pueden realizar operaciones para modificar el estado de dicho proceso o instalaciones (Arrieta, 1999).
Se utiliza un medio de transmisión de datos, que generalmente es el radio, debido a la dispersión geográfica de las estaciones remotas. La estación central se interconecta a través de una unidad terminal maestra
(MTU) con las estaciones remotas (RTU), cada una de las cuales poseen unidades terminales capaces de entender y mostrar la información que reciban.
La función de supervisión del sistema consiste en la revisión constante de las variables del proceso (flujo, presión, nivel, temperatura) y la indicación de eventos, alarmas y detenciones en los equipos del proceso; todo esto sirve de soporte al operador en el momento de tomas decisiones.
La función de control permite modificar a distancia las unidades terminales remotas desde uno o varios centros de control, comúnmente denominados unidades terminales maestras.
Las señales son procesadas en los centros de control para conocer el estado, en tiempo real, de las instalaciones supervisadas y poder tomar una decisión de acuerdo a las condiciones generales en que se encuentren dichas instalaciones. Además, se recopila información para la optimización de los procesos del sistema.
El propósito general de un sistema de control y adquisición de datos, es el de adquirir información y procesarla en tiempo real, permitiendo al usuario solicitar, desplegar y almacenar datos concernientes al sistema a operar.
2.5. PROTOCOLO HART
El protocolo de comunicación HART (Transductor Remoto Direccionable de Alta Velocidad, por sus siglas en inglés) fue introducido por primera vez por la compañía Rosemount Inc. en 1986 como un estándar de diseño exclusivo para la comunicación de transmisores. Poco después de su introducción, Rosemount decidió permitir su acceso para uso por parte de otros fabricantes. Desde esa fecha, ese protocolo ha adquirido amplia popularidad, y ahora constituye uno de los estándares de facto de mayor desarrollo para la instrumentación de campo de procesos. En la actualidad, más de 60 fabricantes ofrecen productos con el protocolo HART. El estándar está regulado en el presente y puede adquirirse en la HART Communication Foundation (HCF), un consorcio de proveedores y usuarios de HART.
El motivo de la aceptación obtenida por el protocolo se debe a las ventajas que ofrece HART al usuario. Es un protocolo de comunicación que puede usarse en los existentes sistemas de control de 4 – 20 mA con gastos mínimos para su implementación. Pueden utilizarse los actuales cableados de campo y las Salidas y Entradas de sistemas de control. Debido a que HART combina la señalización analógica y digital, el protocolo ofrece un control notablemente rápido de la variable primaria y permite la transmisión simultánea de información que no sea de control.
HART usa una técnica de codificación por modificación de frecuencia (SFK, por sus siglas en inglés) para sobreponer comunicación digital en el
bucle de corriente de 4 – 20 mA que conecta el instrumento de campo con el sistema de control. Se utilizan dos frecuencias (1.200 Hz y 2.200 Hz) para representar un 1 y un 0 binarios.
Estos tonos se sobreponen a la señal DC a un bajo nivel. La señal AC tiene un valor promedio de cero. Por ello, no se registra ningún cambio de DC en la señal existente de 4 – 20 mA, independientemente de los datos digitales. En consecuencia, el instrumento puede seguir utilizando la señal analógica 4 – 20 mA para control de procesos y la señal digital para información que no sea de control.
HART también ofrece la posibilidad de funcionar en multipunto, pudiendo conectarse hasta 16 instrumentos en el mismo par de líneas. Sin embargo, la señalización digital de HART alcanza 1.200 baudios, lo cual limita el número de aplicaciones que pueden utilizar el multipunto para control de procesos. La función multipunto de HART podría tener una efectiva aplicación como transmisor múltiple de temperaturas permitiendo la vigilancia del proceso.
2.5.1 SEÑAL HART
HART (“Highway Addressable Remote Transducer”) es, según Bowden (1997), un protocolo popular de comunicación digital diseñado para aplicaciones de mediciones en procesos industriales. Su característica particular es que utiliza una modulación de bajo nivel súper impuesta en el
lazo de corriente estándar de 4 – 20 mA, el cual es ahora ampliamente utilizado para realizar mediciones, sus detalles de transmisión se pueden observar en la figura 1. Debido a que la señal HART es pequeña y compuesta de ondas, su valor average es cero y no afecta significativamente la funcionalidad de una señal de corriente análoga, la cual puede, por lo tanto, seguir siendo utilizada. Esto provee compatibilidad con los sistemas existentes, mientras permite comunicación digital simultánea para la configuración de dispositivos, monitoreo de estado, diagnósticos.
Figura 1: Ejemplo de señal HART. Fuente: Romilly’s HART and Fieldbus Web Site.
2.5.2. ESTRUCTURA DE MENSAJES DE HART
Según Bowden (1997), todos los mensajes HART tienen una estructura única, mostrada en la figura 2.
Figura 2: Estructura de un mensaje HART. Fuente: Romilly’s HART and Fieldbus Web Site
Cada componente de esta estructura tiene un tamaño y una función predeterminados, explicados a continuación:
§ PREAMBL E: El preámbulo está entre 5 y 20 bytes de “FF”
hexadecimales (todos 1). Ayuda al receptor a sincronizarse con el flujo de caracteres.
§ START: El carácter de comienzo puede tener uno de varios valores, indicando el tipo de mensaje: maestro a remoto, remoto a maestro o torrente de mensajes del remoto. También puede indicar el formato de la dirección: trama corta o larga.
§ ADDR: El campo de dirección incluye la dirección del maestro (un solo bit: 1 para un maestro primario, 0 para un maestro secundario) y la dirección del esclavo. En el formato de trama corta, la dirección del
esclavo son 4 bits que contienen la dirección de encuesta (polling) que va desde 0 hasta 15. En el formato de trama larga, son 38 bits que contienen un identificador único para ese dispositivo en particular.
§ COMM: El byte de comando contiene el comando HART para este mensaje. Los comandos universales están en el rango de 0 a 30, los comandos prácticos comunes están en el rango de 32 a 126 y los comandos de especificación de dispositivos están en el rango de 128 a 253.
§ BCNT: El byte contador contiene el número de bytes que continuarán en los bytes de estado y de datos. El receptor usa esto para saber cuando el mensaje está completo. No existe un carácter especial que indique el fin del mensaje.
§ [STATUS]: El campo de estado, también conocido como código de respuesta, tiene 2 bytes, únicamente presente en el mensaje de respuesta del esclavo. Contiene información sobre errores de comunicación en el mensaje saliente, el estado del comando recibido y el estado del mismo dispositivo.
§ [DATA]: El campo de datos puede o no estar presente, dependiendo del comando particular. Se recomienda una longitud máxima de 25 bytes para mantener la duración total del mensaje razonablemente.
Aunque algunos dispositivos poseen comandos específicios de dispositivo que utilizan campos de datos mas largos.
§ CHK: El byte de checksum contiene un or – exclusivo o paridad longitudinal de todos los bytes anteriores (desde el carácter de comienzo en adelante). Unido al bit de paridad que contiene cada byte, éste byte es utilizado para detectar errores de comunicación.
2.6. PROTOCOLO MODBUS
De acuerdo con la información presentada en el sitio de Internet www.modbus.org, el protocolo MODBUS es una estructura de mensajería ampliamente utilizado para establecer comunicaciones maestro – esclavo entre dispositivos inteligentes. Un mensaje MODBUS enviado desde un terminal maestro a un terminal esclavo contiene la dirección del esclavo, el
“comando” (leer registro, escribir registro, etc), los datos y el resumen de la revisión (LRC o CRC).
Debido a que el protocolo MODBUS es sólo una estructura de mensajería, es totalmente independiente de la capa física. Tradicionalmente es implementado utilizando RS232, RS422 o RS485 sobre varios medios (fibra óptica, radio, celular, etc).
MODBUS TCP / IP utiliza TCP / IP y el Ethernet para llevar la estructura de mensajes del MODBUS. MODBUS / TCP requiere licencia, pero todas las especificaciones son públicas y abiertas así que no se debe pagar derecho de autor por esta licencia.
El protocolo MODBUS está disponible en dos versiones:
§ Modo de transmisión ASCII: cada byte de ocho bits en un mensaje es enviado como dos caracteres ASCII.
§ Modo de transmisión RTU: cada byte de ocho bits en un mensaje es enviado como dos caracteres de cuatro bits hexadecimales.
La principal ventaja del modo RTU es que alcanza un mayor rendimiento, mientras que el modo ASCII admite intervalos de tiempo de hasta 1 segundo que ocurren e ntre caracteres sin causar ningún error.
2.6.1. ESTRUCTURA DE TRAMAS MODBUS
En la figura 3 se puede observar cómo se estructura una trama modbus estándar. Sus partes son dirección, función, data y chequeo de errores.
ADDRESS FUNCTION DATA CHECKSUM
Figura 3: Estructura básica de una trama Modbus. Fuente: www.modbus.org
El campo de dirección de un mensaje de trama contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU). Las direcciones válidas de los dispositivos esclavos están en el rango de 0 a 247 en decimal. Los dispositivos esclavos individuales le son asignadas direcciones en el rango de 1 a 247. Una unidad maestra direcciona a un esclavo colocando la
dirección del esclavo en el campo de dirección del mensaje. Cuando el esclavo envía su respuesta, coloca su propia dirección en el campo dirección de la respuesta para hacer saber al maestro cuál es el esclavo que está respondiendo.
El campo código de función de un mensaje de trama contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU). Los códigos válidos están en el rango de 1 a 255 en decimal. Cuando un mensaje es enviado desde el dispositivo maestro hacia el esclavo, el campo de código de función le informa al esclavo qué clase de acción realizar. Ejemplos de ello son: leer los estados de encendido / apagado de un grupo de entradas discretas, leer los contenidos de datos de un grupo de registros, leer el estado del diagnóstico del esclavo, escribir en registros designados o permitir cargar, grabar o verificar el programa dentro del esclavo.
Cuando el esclavo responde al maestro, se utiliza el campo de código de función para indicar una respuesta normal (libre de errores) o que algún tipo de error ha ocurrido (respuesta de excepción). Para una respuesta normal, el esclavo simplemente retorna el código de función original. Para una respuesta de excepción, el esclavo retorna un código equivalente al código de función original con el bit más significativo como un 1 lógico.
El campo de datos está construido usando grupos de dos dígitos hexadecimales, en el rango de 00 a FF hexadecimal. Esto puede ser completado con un par de caracteres ASCII o con un carácter RTU, de acuerdo con el modo de transmisión serial de la red. Pero también, el campo
de datos puede no existir (longitud cero) en ciertos tipos de mensajes, dependiendo de lo que indique el campo de código de función.
El campo de datos del mensaje enviado desde la unidad maestra a los dispositivos esclavos contiene información adicional, la cual, deber ser utilizada por el esclavo para realizar la acción definida por el código de función. Esto puede incluir direcciones discretas o de registros, cantidad de variables a ser manejadas y el conteo de los bytes de data actuales en el campo.
Si no ocurren errores, el campo de datos de la respuesta del esclavo al maestro, contendrá los datos requeridos. Si ocurre un error, el campo contendrá un código de excepción que la aplicación del terminal maestro podrá usar para determinar la próxima acción a ser tomada.
Se utilizan dos tipos de “checksum” para redes estándares MODBUS.
El contenido del campo de chequeo de errores depende del método de transmisión que esté siendo utilizado.
2.7. TRANSDUCTORES
En todo proceso de automatización es necesario captar las magnitudes que se generan co nstantemente en planta, para poder así saber el estado del proceso que estamos controlando. Para ello, empleamos los transductores o sensores, términos que se suelen emplear como sinónimos aunque el transductor engloba algo más amplio.
Se puede definir un transductor como un dispositivo que convierte el valor de una magnitud física en una señal eléctrica codificada, ya sea en forma analógica o digital. No todos los transductores tienen por qué dar una salida en forma de señal eléctrica, sin embargo, en aplicaciones industriales suele ser lo más frecuente.
Los transductores, generalmente, se componen de las siguientes partes:
- Elemento sensor o captador: convierte las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica.
- Tratamie nto de la señal: si existe, realiza la función de modificar la señal obtenida para obtener una señal adecuada (filtrado, amplificación, etc).
- Etapa de salida: comprende los circuitos necesarios para poder adaptar la señal al nivel requerido para la carga exterior.
2.7.1. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSDUCTORES
Según el tipo de señal de salida, es decir, la forma de codificar la magnitud medida, los transductores pueden ser clasificados de la siguiente manera:
- Analógicos: aquellos que proporcionan un valor de tensión o corriente dentro de un rango previamente fijado (normalmente 0 – 10 V ó 4 – 20 mA).
- Digitales: aquellos que proporcionan una señal codificada en pulsos o en alguna codificación digital. (BCD, binario, etc.).
- Todo – Nada : aquellos que únicamente poseen dos estados, los cuales están separados por un valor umbral de la variable detectada.
Balcells y Romeral (1998) establecen que los transductores pueden ser diferenciados según el tipo de magnitud física a detectar (ver cuadro 1).
CUADRO 1: Tipos de Transductores
MAGNITUD
DETECTADA TRANSDUCTOR CARACTERÍSTICAS POSICIÓN LINEAR O
ANGULAR
Potenciómetro Encoders
Sincro y Resolver
Analógico Digital Analógico DESPLAZAMIENTO O
DEFORMACIÓN
Transformador Diferencial Galga Extensométrica
Analógico Analógico VELOCIDAD LINEAR O
ANGULAR
Dinamo Tacométrico Encoders
Detector inductivo u óptico
Analógico Digital Digital ACELERACIÓN Acelerómetro
Sensor de Velocidad + Calculador
Analógico Digital FUERZA Y PAR Medición Indirecta por galgas o
gráficos diferenciales
Analógico
PRESION
Membrana + Detector de desplazamiento
Piezoeléctrico
Analógico Analógico
FLUJO De Turbina
Magnético
Analógico Analógico
TEMPERATURA
Termocuplas Resistencias PT 100 Resistencias NTC Resistencias PTC Bimetálicos
Analógico Analógico Analógico ON / OFF ON / OFF PRESENCIA O
PROXIMIDAD
Inductivo Capacitivo Óptico Ultrasónico
ON / OFF – Analógico ON / OFF
ON / OFF – Analógico Analógico
TÁCTIL
Matriz de Contactos Piel Artificial
Matriz Capacitiva, Piezoeléctrica u Óptica
ON / OFF Analógico ON / OFF
SISTEMAS DE VISION ARTIFICIAL
Cámaras CCD
Cámaras de Video y Tratamiento de Imagen
Procesamiento digital por puntos o pixeles Fuente: Balcells y Romeral, 1998
2.7.2. TRANSDUCTORES MÁS COMUNES
A continuación, se presentan las definiciones de algunos transductores de mayor utilización en la industria, según Balcells y Romeral (1998):
- Potenciómetros: es el transductor eléctrico mas común. Los
potenciómetros pueden utilizarse solos, o pueden unirse a un sensor mecánico para convertir un movimiento mecánico en una variación eléctrica.
Desde el punto de vista de concepción, un potenciómetro es bastante simple.
Está formado por un elemento resistivo y un contacto móvil que puede posicionarse en cualquier punto a lo largo del elemento resistivo. Este contacto móvil se denomina contacto, deslizador o toma. Cuando un fabricante especifica un 10% de linealidad para su potenciómetro, está garantizando que la resistencia se desviará de la recta de resistencia por no más del 10% de la resistencia total.
- Transformadores diferenciales de variación lineal: entrega una señal de voltaje de salida AC, la cual es proporcional a un desplazamiento físico. Los LTDV’s tienen un devanado primario y dos devanados secundarios arrollados sobre el mismo soporte. El soporte mismo es hueco y contiene un núcleo magnético que es libre para deslizarse dentro del soporte.
Siempre y cuando el núcleo magnético esté perfectamente centrado en el soporte, el flujo magnético de enlace será el mismo para el devanado secundario 1 y para el devanado secundario 2. Por lo tanto, ambos voltajes secundarios serán iguales. Si el núcleo se mueve hacia la izquierda, el
enlace magnético será más grande en el devanado secundario 1, debido a que hay más núcleo dentro de dicho devanado que en el otro, por tanto, el voltaje en este será mayor que en el otro devanado. Por otro lado, si el núcleo se mueve a la dirección contraria, el devanado 2 tendrá mayor voltaje por tener más núcleo dentro de él. El LVDT se construye de tal manera, que la diferencia entre los voltajes de los devanados secundarios es proporcional al desplazamiento del núcleo.
- Transductores de Presión: son numerosas las diferentes técnicas
para medir la presión industrialmente. Si embargo, Maloney (1995) señala que las dos técnicas más comunes, el tubo Bourdon y los Fuelles, miden la presión y la convierten en un movimiento mecánico que es traducido a una señal eléctrica por un potenciómetro o un LVDT.
El Tubo de Bourdon es un tubo deformable de metal con una sección ovalada, abierta en uno de sus extremos y cerrados en el otro. El fluido cuya presión se quiere medir, es admitido al interior del tubo por su extremo abierto, el cual está mecánicamente asegurado. El tubo entonces deflecta en una cantidad proporcional a la magnitud de la presión. Esta flexión es transmitida mecánicamente al contacto de un potenciómetro o al núcleo de un LVDT para proporcionar una señal eléctrica. Los tubos de Bourdon son más frecuentemente utilizados para medir presiones en el rango de 10 a 300 psi.
Los Fuelles son esencialmente una serie de diafragmas metálicos conectados entre sí. Cuando se somete a la presión de un fluido, un
diafragma metálico se deformará ligeramente debido a la elasticidad del material utilizado para construirlo. Con la puerta de entrada de presión asegurada, el fuelle se expandirá a medida que aumenta la presión del fluido, y el espigo de salida se moverá a la derecha. A medida que la presión del fluido cae, el fuelle se contrae y el espigo de salida se mueve a la izquierda.
Este tipo de transductor, encuentra su principal aplicación en la medida de presiones en el rango de 0.5 a 20 psi.
- Termocuplas : las termocuplas o termopares son sensores de temperatura y se basan en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, que trata de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones, entre la de medida y la de referencia, se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en que existe un gradiente de temperaturas.
La combinación de los dos efectos, el de Peltier y el de Thompson, es la causa de circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Por las Leyes del Circuito Homogéneo, Ley de los Metales Intermedios y la Ley de las Temperaturas Sucesivas; se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la
unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia.
Según Maloney (1995) las termocuplas más comunes son:
§ Los tipos R o S, se utilizan para la medición de las temperaturas elevadas que se encuentran en la fabricación de acero en fusión se emplean cartuchos con estas termocuplas. Se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500 °C.
§ El tipo E, de cromo, puede usarse en vacío o en atmósfera medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m.
más alta por variación de temperatura.
§ El tipo T, de cobre, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes.
§ El tipo J, de hierro, es adecuada en atmósferas con escaso oxígeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550 °C.
§ El tipo K, de cromo – aluminio, se recomienda en atmósfera oxidante y a temperaturas de trabajo entre 500 y 1200 °C.
- Termistores y Detectores Resistivos de Temperatura (RTD’s): la medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que es propia del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado, bobinado entre capas de material
aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. La variación de resistencia de las sondas es medida con un puente de Wheatstone dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al puente.
- Tacómetros: es el dispositivo más común que se utiliza para medir la velocidad. Un tacómetro, básicamente, es un generador de voltaje, especialmente diseñado para producir una salida de voltaje que varía linealmente con la velocidad del eje aplicado. Con respecto al funcionamiento, se pueden encontrar:
Tacómetro Mecánico: su funcionamiento está basado en medir las
revoluciones empleadas para medir localmente la velocidad de rotación de toda clase de máquinas o dispositivos giratorios. Este contador consta básicamente en un eje elástico terminado en punto que se apoya sobre el centro de la pieza giratoria. El eje elástico, al girar, mueve a través de un tren de engranajes dos diales calibrados concéntricos.
Tacómetro Eléctrico: los tacómetros eléctricos emplean un traductor
que produce una señal analógica o digital como conversión de la velocidad de giro del eje de máquinas.
Otro tipo de clasificación es diferenciar entre sensores activos o pasivos. Los sensores pasivos requieren de una alimentación para efectuar
su función, mientras que los activos generan la señal sin necesidad de alimentación externa.
2.7.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSDUCTORES
Así mismo, Balcells y Romeral (1998), establecen que las características de los transductores pueden ser agrupadas en dos grandes bloques:
§ Características Estáticas: describen la actuación del sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir:
- Campo de Medida: rango de valores de la magnitud de entrada.
- Resolución: es la mínima medida que el sensor es capaz de discernir.
- Precisión: es la máxima desviación entre el valor real proporcionado y el teórico según un patrón d efinido.
- Repetibilidad: es la máxima desviación entre valores de salida al medir un mismo valor de entrada con el mismo sensor.
- Alinealidad: máxima desviación entre la respuesta real y la puramente lineal.
- Sensibilidad: indica la variación de salida por unidad de magnitud de entrada.
- Ruido: aquel propio del transductor que produce una desviación de la salida con respecto al valor teórico.
- Histéresis: dependencia de la medida a si ésta se realiza con crecimiento o disminución de la misma.
§ Características Dinámicas: describen la actuación del sensor en régimen transitorio:
- Velocidad de Respuesta: tiempos que se producen entre la medida tomada y la señal de salida.
- Respuesta Frecuencial: relación entre la sensibilidad y la frecuencia de la señal de entrada.
- Estabilidad y Derivas: desviación de salida respecto a condiciones medioambientales.
2.8. COMPUTADORAS DE FLUJO (OMNI 6000)
Las computadoras de flujo Omni 6000 son instrumentos de medición únicos, versátiles, confiables y fáciles de usar. Son programados en fábrica para correr configuraciones simples o múltiples para medir petróleo crudo, productos refinados, NGL’s, LPG’s, etileno, propileno, gas natural y gases especiales. También se puede proveer mediciones de otros productos fluidos.
Las capacidades de comunicaciones extensivas permiten al Omni 6000 a ser utilizado en una variedad de configuraciones maestro / esclavo para aplicaciones de transferencia de datos de alta velocidad. El hardware de la computadora de flujo también puede configurarse como una unidad
terminal remota (RTU) de tamaño medio con una significante capacidad de entradas y salidas digitales.
La computadora de flujo se conecta a varios sensores para poder monitorear el flujo en las tuberías y cumplir con aplicaciones de medición de procesos petroquímicos. Puede calcular, mostrar e imprimir datos que serán utilizados para funciones operacionales posteriormente. La computadora es configurada para concordar con los requerimientos del sistema de tuberías de la empresa. Su diseño de bus no re strictivo permite cualquier combinación de entradas y salidas para cumplir con la mayoría de los requerimientos de medición, comunicación y control de flujo y de válvulas.
Las computadoras de flujo son aplicables para realizar mediciones de flujo a gases y líquidos, para sistemas de control y comunicación y para operaciones de transferencia de custodia. Sus características básicas son:
- Procesamiento de 32 bits con un coprocesador matemático para ejecuciones rápidas de multitareas.
- Ciclos de cálculos de 500 milésimas de segundo.
- Módulos de entrada y salida analógicos, digitales, de conexión serial y combinaciones.
- Interfaz transmisora digital punto a punto.
- Módulos de Interfaces transmisoras Honeywell y Rosemount opcionales.
- LED’s indicadores para el estado de las entradas y salidas.
- Firmware estándar comprobado en campo sin necesidad de programación.
- Lógica de control totalmente configurable por el usuario.
- Hasta 4 lazos controladores de flujo y / o presión.
- Variables configurables por los usuarios para pantallas y reportes.
- Almacenamiento de archivos de datos y reportes.
- Comunicaciones puerto – puerto tipo Modbus de 38.4 kbps para PLC / DCS.
- Diagnósticos en tiempo real.
2.9. INTERFAZ DE USUARIO
Lewis y Rieman (1993) definen las interfaces básicas de usuario como: aquellas que incluyen cosas como menús, ventanas, teclado, ratón, los “beeps” y algunos otros sonidos que la computadora hace, en general, todos aquellos canales por los cuales se permite la comunicación entre el hombre y la computadora.
La idea fundamental en el concepto de interfaz es el de mediación, entre hombre y máquina. La interfaz es lo que facilita la comunicación, la interacción, entre dos sistemas de diferente naturaleza, típicamente, el ser humano y una máquina como el computador. Esto implica, además, que se trata de un sistema de traducción, ya que los dos "hablan" lenguajes
diferentes: verbo-icónico en el caso del hombre y binario en el caso del procesador electrónico.
De una manera más técnica se define a Interfaz de Usuario, como un conjunto de componentes empleados por los usuarios para comunicarse con las computadoras. El usuario dirige el funcionamiento de la máquina mediante instrucciones, denominadas genéricamente entradas. Las entradas se introducen mediante diversos dispositivos, por ejemplo un teclado, y se convierten en señales electrónicas que pueden ser procesadas por la computadora. Estas señales se transmiten a través de circuitos conocidos como bus, y son coordinadas y controladas por la unidad de proceso central y por un soporte lógico conocido como sistema operativo. Una vez que la CPU ha ejecutado las instrucciones indicadas por el usuario, puede comunicar los resultados mediante señales electrónicas, o salidas, que se transmiten por el bus a uno o más dispositivos de salida, por ejemplo una impresora o un monitor.
Resumiendo entonces se puede decir que, una interfaz de software es la parte de una aplicación que el usuario ve y con la cual interactúa. Está relacionada con la subyacente estructura, la arquitectura, y el código que hace el trabajo del software, pero no se confunde con ellos. La interfaz incluye las pantallas, ventanas, controles, menús, metáforas, la ayuda en línea, la documentación y el entrenamiento. Cualquier cosa que el usuario ve y con lo cual interactúa es parte de la interfaz. Una interfaz inteligente es fácil de aprender y usar. Permite a los usuarios hacer su trabajo o desempeñar
una tarea en la manera que hace más sentido para ellos, en vez de tener que ajustarse al software. Una interfaz inte ligente se diseña específicamente para la gente que la usará.
Existen tres puntos de vista distintos en una interfaz de usuario: el del usuario, el del programador y el del diseñador). Cada uno tiene un modelo mental propio de la interfaz, que contiene los conceptos y expectativas acerca de la interfaz, desarrollados a través de su experiencia.
El modelo permite, entre otras cosas, explicar o predecir comportamientos del sistema y tomar las decisiones adecuadas para modificar el mismo. Los modelos subyacen en la interacción con los ordenadores, de ahí su importancia.
a. Modelo del usuario: El usuario tiene su visión personal del sistema, y espera que éste se comporte de una cierta forma, que se puede conocer estudiando al usuario (realizando test de utilidad, entrevistas, o a través de una realimentación). Una interfaz debe facilitar el proceso de crear un modelo mental efectivo. Para ello son de gran utilidad las metáforas, que asocian un dominio nuevo a uno ya conocido por el usuario; un ejemplo típico es la metáfora del escritorio, común a la mayoría de las interfaces gráficas actuales.
b. Modelo del programador: Es el más fácil de visualizar, al poderse especificar formalmente. Está constituido por los objetos que manipula el programador, distintos de los que trata el usuario (ejemplo: base de datos - agenda telefónica). Estos objetos deben esconderse del usuario.
Los conocimientos del programador incluyen la plataforma de desarrollo, el sistema operativo, las herramientas de desarrollo, especificaciones. Sin embargo, esto no significa necesariamente que tenga la habilidad de proporcionar al usuario los modelos y metáforas más adecuadas.
c. Modelo del diseñador: El diseñador mezcla las necesidades, ideas, deseos del usuario y los materiales de que dispone el programador para diseñar un producto de software. Es pues, un intermediario entre ambos. El modelo del diseñador describe los objetos que el usuario utiliza, su presentación al mismo y las técnicas de interacción para su manipulación.
El modelo consta, pues, de tres partes: presentación, interacción y relaciones entre los objetos (ver figura 4 ).
Figura 4: Modelo del diseñador: look -and-feel iceberg. Fuente: IBM (1992)
Al diseñar interfaces de usuario deben tenerse en cuenta las habilidades cognitivas y de percepción de las personas, y adaptar el programa a ellas. Así, una de las cosas más importantes que una interfaz puede hacer es reducir la dependencia de las personas de su propia memoria, no forzándoles a recordar cosas innecesariamente (por ejemplo, información que apareció en una pantalla anterior) o a repetir operaciones ya realizadas (por ejemplo, introducir un mismo dato repetidas veces). La persona tiene unas habilidades distintas de la máquina, y ésta debe utilizar las suyas para soslayar las de aquella (como por ejemplo la escasa capacidad de la memoria de corto alcance).
2.9.1. EVOLUCIÓN DE LAS INTERFACES DE USUARIO
La evolución de las interfaces de usuario corre en paralelo con la de los sistemas operativos; de hecho, la interfaz constituye actualmente uno de los principales elementos de un sistema operativo. A continuación se muestran las distintas interfaces que históricamente han ido apareciendo, ejemplificándolas con las sucesivas versiones de los sistemas operativos más populares.
a. Interfaces de líneas de mandatos (Command – Line User interfaces, CUIs): Es el característico del DOS, el sistema operativo de los primeros PC, y es el estilo más antiguo de interacción hombre-máquina. El usuario escribe órdenes utilizando un lenguaje formal con un vocabulario y
una sintaxis propia (los mandatos en el caso del DOS). Se usa un teclado, típicamente, y las órdenes están encaminadas a realizar una acción.
El usuario no suele recibir mucha información por parte del sistema (ejemplo: indicador del DOS), y debe conocer cómo funciona el ordenador y dónde están los programas (nada está oculto al usuario). El modelo de la interfaz es el del programador, no el del usuario.
Desventajas: carga de memoria del usuario (debe memorizar los
mandatos; incluso la ayuda es difícil de leer); nombres no siempre adecuados a las funciones, significado de los mandatos mal comprendido a veces (varios mandatos con el mismo o parecido significado, como DEL y ERASE); inflexible en los nombres (DEL y no DELETE).
Ventajas: potente, flexible y controlado por el usuario, aunque esto es
una ventaja para usuarios experimentados. La sintaxis es estricta, y los errores pueden ser graves. En suma, un CUI es adecuado para usuarios expertos, no para noveles. Para aquellos más rápidos por lo que se puede diseñar un CUI como parte de una interfaz, para que se pueda utilizar una vez que se tenga experiencia.
b. Interfaces de Menús: Un menú es una lista de opciones que se muestran en la pantalla o en una ventana de la pantalla para que los usuarios elijan la opción que deseen. Los menús permiten dos cosas: navegar dentro de un sistema, presentando rutas que llevan de un sitio a otro, y seleccionar elementos de una lista, que representan propiedades o acciones que los usuarios desean realizar sobre algún objeto.
Las interfaces de menús aparecen cuando el ordenador se vuelve una herramienta de usuario y no sólo de programadores. Las actuales interfaces gráficas u orientadas a objetos siguen utilizando este tipo de interfaces (los distintos estilos de interfaces no son mutuamente exclusivos).
Las interfaces de menús, bien estructuradas, son buenas para usuarios noveles o esporádicos. Son fáciles de aprender y de recordar.
Pueden existir menús simples y avanzados, para adaptarse al tipo de usuario.
Precauciones: no ocupar demasiado espacio de la pantalla, recordar la
información acumulada de menús precedentes, no colocar demasiados elementos en el menú, agruparlos de manera lógica (no en orden alfabético, por ejemplo; esto ayuda a recordarlos), permitir la personalización por parte del usuario, usar una terminología adecuada y consistente dentro del programa y con otros programas (Exit, Quit, Escape, Close, Return, Back).
Las interfaces de menús serán utilizadas normalmente en conjunción con los otros estilos de interfaces.
c. Interfaces Gráficas (Graphical User Interfaces, GUIs):
desarrolladas originalmente por XEROX (sistema Xerox Star, 1981, sin éxito comercial), aunque popularizadas por Apple (Steven Jobs se inspiró en los trabajos de Xerox y creó el Apple Lisa, 1983, sin éxito, y Apple Macintosh, 1984, si tuvo éxito debido, en gran medida, a su campaña publicitaria).
Un GUI es una representación gráfica en la pantalla del ordenador de los programas, datos y objetos, así como de la interacción con ellos. El GUI
proporciona al usuario las herramientas para realizar sus operaciones, más que una lista de las posibles operaciones que el ordenador es capaz de hacer.
Según Fuenmayor y Ugarte (1993, pág. 72), las aplicaciones para interfaces gráficas de usuario (GUI: Graphical User Interface) ofrecen una interfaz consistente y fácil de usar, la integración de los programas y una curva de aprendizaje reducida. A pesar de esto, el desarrollo de aplicaciones para este tipo de interfaces puede ser muy difícil.
Las principales características de un GUI:
• Posee un monitor gráfico de alta resolución.
• Posee un dispositivo apuntador (típicamente un ratón).
• Promueve la consistencia de la interfaz entre programas.
• Los usuarios pueden ver en la pantalla los gráficos y textos tal como se verán impresos.
• Sigue el paradigma de la interacción objeto – acción.
• Permite la transferencia de información entre programas.
• Se puede manipular en la pantalla directamente los objetos y la información.
• Provee elementos de interfaz estándar como menús y diálogos.
• Existe una muestra visual de la información y los objetos (íconos y ventanas)
• Existe información visual de las acciones y modos del usuario / sistema.
• Existen controles gráficos para la selección e introducción de la información.
Una característica importante es que el GUI permite manipular los objetos e información de la pantalla, no sólo presentarla.
Para usar un GUI, los usuarios deben conocer una serie de conceptos como organización del sistema, diferentes tipos de íconos y efecto de las acciones sobre ellos, elementos básicos de una ventana, uso de los controles del GUI, uso del ratón, etc.
Los GUI usan el estilo objeto-acción, en contraposición al acción- objeto de los CUI o las interfaces de menú. El usuario selecciona un objeto, y después la acción a realizar sobre dicho objeto. Los objetos son el principal foco de atención del usuario, lo cual resulta más natural y próximo a su modelo mental.
Desventajas: orientados a la aplicación. En la mayoría de los GUI, el
usuario selecciona una aplicación y luego especifica los datos con los que va a trabajar. La orientación al objeto está implementada dentro de algunas aplicaciones. Las aplicaciones tienen un menú de barra con unas operaciones estándar (File, Edit, View, Help).
Ventajas: usan metáforas de la vida real que se adaptan al modelo mental del usuario: escritorio, sala de juegos, agenda, cámara.
d. Interfaces Orientadas a Objetos (Object Oriented User Interfaces, OOUIs): Su aspecto es similar al de las GUIs. La diferencia
estriba en el modelo subyacente: las GUIs son interfaces orientadas a la aplicación, mientras que las OOUIs están orientadas al objeto. En el cuadro 2 se muestran las principales diferencias entre ambos estilos de interfaz:
CUADRO 2: Diferencias entre GUI y OOUI
INTERFACES ORIENTADAS A LA APLICACIÓN
INTERFACES ORIENTADAS A LOS OBJETOS
La aplicación consiste en un icono, una ventana principal y varias secundarias
El producto consiste en una colección de objetos que cooperan y vistas de dichos objetos
Los iconos representan aplicaciones o ventanas abiertas
Los iconos representan objetos que se pueden manipular directamente Los usuarios deben abrir una aplicación
antes de trabajar con objetos
Los usuarios abren objetos como vistas en el escritorio
Proporciona al usuario las funciones necesarias para realizar las tareas
Proporciona al usuario los materiales necesarios para realizar las tareas Se centra en la tarea principal
determinada por la aplicación
Se centra en las entradas y salidas de los objetos y tareas
Las tareas relacionadas son soportadas por otras aplicaciones
Las tareas relacionadas son soportadas por el uso de otros objetos
Estructura rígida: función Estructura flexible: objeto Los usuarios pueden quedar atrapados
en una tarea
Los usuarios no deben quedar atrapados en una tarea
Los usuarios deben seguir la estructura de la aplicación
Los usuarios pueden realizar tareas a su propio gusto
Fuente: Lewis y Riemann (1993)
El objetivo de la OOUI es que el usuario se concentre en sus tareas en lugar de en el ordenador y cómo utilizar las aplicaciones y ficheros necesarios para cumplir sus objetivos. Por ello se esconde la organización del sistema al usuario. (Ejemplo de los accesos directos en Windows95- OS/2).
El estilo de interacción de los OOUIs es el de objeto-acción, el cual también se da en los GUIs, aunque mezclado con el estilo acción-objeto. La ventana es un objeto ventana, no una ventana de aplicación; desaparecen pues los menús de barra y ganan terreno los contextuales.
Actualmente existe una mezcla de productos orientados a la aplicación y al objeto, aunque se está produciendo una migración a estos últimos. Las aplicaciones están dejando paso a conjuntos de objetos.
2.9.2. PROCESO DE DISEÑO DE INTERFACES DE USUARIO
En el proceso de diseño de una interfaz de usuario se pueden distinguir cuatro fases:
a. Reunir y analizar la información del usuario: qué tipo de usuarios van a utilizar el programa, qué tareas van a realizar los usuarios y cómo las van a realizar, qué exigen los usuarios del programa, en qué entorno se desenvuelven los usuarios (físico, social, cultural).
b. Diseñar la interfaz de usuario: es importante dedicar tiempo y recursos a esta fase, antes de entrar en la codificación. En esta fase se
definen los objetivos de utilidad del programa, las tareas del usuario, los objetos y acciones de la interfaz, los iconos, vistas y representaciones visuales de los objetos, los menús de los objetos y ventanas. Todos los elementos visuales se pueden hacer primero a mano y luego refinar con las herramientas adecuadas.
c. Construir la interfaz de usuario : es interesante realizar un prototipo previo, una primera versión del programa que se realice rápidamente y permita visualizar el producto para poderlo probar antes de codificarlo definitivamente.
d. Validar la interfaz de usuario: se deben realizar pruebas de utilidad del producto, a ser posible con los propios usuarios finales del mismo.
2.9.3. TÉCNICAS AVANZADAS PARA EL DISEÑO DE INTERFACES DE USUARIO
a. Presentación de información: no se deben colocar demasiados objetos en la pantalla, y los que existen deben estar bien distribuidos. Cada elemento visual influye en el us uario no sólo por sí mismo, sino también por su combinación con el resto de elementos presentes en la pantalla.
En el ejemplo de la figura 5, el número de elementos visuales que perciben son: a) 1 (el fondo); en b) 3 (la línea, lo que está encima y lo que está debajo); en c) son 5 (el espacio fuera del recuadro, el recuadro, la línea y el
espacio encima y debajo de ésta); finalmente, en d) el número se eleva a 35, siguiendo el mismo criterio.
Figura 5: Elementos visuales. Fuente: Lewis y Riemann (1993)
b. Color: es probablemente el elemento de la interfaz que con más frecuencia es mal utilizado. El color comunica información, no es sólo decorativo (ejemplo: reforzar mensajes de error). Deben utilizarse combinaciones adecuadas (por ejemplo, las paletas proporcionadas por los sistemas operativos). El color debe atraer la atención, pero no cansar después de un rato de trabajo. Es especialmente importante seguir las líneas de diseño existentes. Principio básico: diseñar primero en blanco y negro, y luego añadir el color.
c. Audio: primero es preciso ver cuándo es más apropiado que la información visual. Segundo, determinar el sonido adecuado. Tercero , permitir la personalización (volumen y desactivación). Como en el caso de los colores existen guías de uso. En lugares de trabajo abiertos, puede ser poco efectivo; además, puede ser embarazoso para algunas personas. El sonido debe usarse para informar, no cuando no añade nada nuevo (por ejemplo, un mensaje de aviso de correo o de bienvenida, respectivamente, al iniciar una sesión de trabajo).
d. Animación: se define como un cambio en el tiempo de la apariencia visual de un elemento gráfico. Ejemplos de su uso: progreso de acciones (copia de ficheros en Windows 95, instalación de programas), estado de procesos (iconos de impresora), acciones posibles (cambios en el cursor al desplazar el ratón). La animación puede ayudar a subrayar iconos importantes, mostrar el estado de un objeto particular o explicar su comportamiento.
e. Diseño internacional: Debe hacerse un uso adecuado de la terminología. Hay mucho trabajo en este campo. Debe tenerse cuidado con las diferencias culturales (gestos, terminología, dibujos, formatos de teléfonos o calendarios, etc.).
f. Elección de controles: Muchas veces existe la duda de qué controles utilizar. En realidad no existe una única forma correcta. Un aspecto a considerar es la escalabilidad (menú de 10/1000 elementos; ejemplo:
programas del menú inicio de Windows 95).
2.10. UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CUSTODIA (LACT)
Francisco (1997) afirma que una unidad LACT (Lease Automatic Custody Transfer) es diseñada para la transferencia automática de la posesión del crudo entre el comprador y el vendedor.
Según Carpenter (1998), una unidad LACT puede cumplir las siguientes funciones:
• Medir con alta precisión la transferencia de productos de un dueño a otro, como por ejemplo la transferencia de petróleo crudo del campo de producción al oleoducto.
• Analizar el contenido de sedimentos y agua del producto, y rechazar lo que no cumple con una especificación programada.
• Sacar muestras del producto automáticamente para análisis en el laboratorio.
• Mantener archivos electrónicos de las operaciones y transmitir los datos a lugares remotos.
• Calibrar la precisión de los medidores de flujo, utilizando un calibrador de flujo integrado al sistema.
Algunas de las ventajas que se obtienen gracias a la utilización de una LACT son las siguientes:
• Reduce los requerimientos de mano de obra del gauger.
• Reduce los requerimientos de capacidad de tanques con respecto al gauging manual convencional.
• Ofrece flexibilidad para operación de 24 horas.
• Reduce el error humano, si es mantenido adecuadamente.
• Elimina errores de medición debido a la construcción del tope del tanque o al clingage e n las paredes del tanque.
• Permite capacidades operacionales remotas y completas por parte del supervisor.
Los componentes básicos de una unidad LACT son:
- Bomba de Carga y Moto r - Filtro / Eliminador de Aire - Sistema de Muestra - Monitor BS&W y Probador - Medidor
- Instrumentación del Medidor
- Válvulas de Chequeo, de Bloqueo y de Purgación.
- Instrumentación del Probador - Panel de Control de la unidad LACT
- Probador Medidor Bi-Direccional Calibrado
2.11. INTOUCH 7.1 DE WONDERWARE
La información mostrada por Wonderware en su página web, www.wonderware.com, define a Intouch como un software para desarrollo de Interfaz Humano – Máquina (HMI ó Human – Machine Interface , por sus
siglas en inglés) que provee una vista simple e integrada de todos los recursos de control e información, diseñada para la automatización industrial, control de procesos y monitoreo supervisorio. Intouch permite a ingenieros, supervisores, gerentes y operadores ver e interactuar con las operaciones de una empresa entera a través de representaciones gráficas de los procesos de producción (ver anexo 6).
Este programa provee la centralización del sistema de información de la industria en una locación operativa. Está compuesto de varios componentes que realizan tareas de visualización, acceso a datos, extensibilidad a componentes externos, historias, manejo de eventos, alarmas, reportes y análisis.
Intouch está compuesto por tres programas principales, Intouch Application Manager, WindowMaker y WindowViewer; también está incluído un programa de diagnósticos llamado WonderwareLogger.
Intouch Application Manager: organiza las aplicaciones que son
creadas. También es utilizado para configurar el WindowViewer como un servicio NT, para configurar el Desarrollo de Aplicación de Red (NAD) para arquitecturas basadas en cliente ó servidor, para configurar la Conversión de Resolución Dinámica (DRC) y/o alarmas distribuidas.
WindowMaker: es el ambiente de desarrollo, en donde los gráficos
orientados a objetos son usados para crear despliegues de pantallas animadas. Estos despliegues pueden ser conectados a sistemas I/O industriales y otras aplicaciones de Windows.
WindowViewer: es el ambiente para correr los sistemas y es utilizado
para mostrar las ventanas gráficas creadas en WindowMaker. WindowViewer ejecuta los scripts creados en InTouch, realiza almacenamiento y reportes de datos históricos, procesa alarmas y puede funcionar como un cliente y/o servidor para protocolos como DDE y SuiteLink, propio de Wonderware.
Intouch de Wonderware ha establecido un estándar para facilitar el desarrollo permitiendo a los usuarios crear despliegues de interfaces complejas y poderosas de manera rápida y fácil. También provee al usuario acceso a las últimas herramientas, incluyendo ActiveX, OPC, SuiteLink y el estándar DDE.
Este paquete permite a los usuarios desarrollar de manera rápida pantallas propias para sus aplicaciones utilizando herramientas fáciles de entender y configurar. Existe una librería de objetos gráficos empleados comúnmente que habilita la creación de pantallas animadas con un mínimo de esfuerzo y programación. Además, la conexión con información en tiempo real es simplificada a través del uso de asistentes.
2.11.1. APLICACIÓN INTOUCH
Una aplicación InTouch es una representación gráfica de datos en tiempo real de la planta manufacturadora. Convierte datos de PLC en una simulación gráfica en la PC a través del uso de ventanas y objetos.
