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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS” “SUPERVISIÓN Y EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL PARA UN TANQUE ATMOSFÉRICO” TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN PRESENTAN: JAVIER MANUEL ALTAMIRA VARGAS JOSUE CRISTIAN RAMIREZ RODRIGUEZ ASESORES: M. EN C. SALVADOR CRUZ DEL CAMINO ING. RICARDO HURTADO RANGEL MÉXICO, D.F. 2014
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INSTITUTO POLITEacuteCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIacuteA MECAacuteNICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ldquoADOLFO LOacutePEZ MATEOSrdquo
ldquoSUPERVISIOacuteN Y EVALUACIOacuteN DEL SISTEMA DE CONTROL
DE NIVEL PARA UN TANQUE ATMOSFEacuteRICOrdquo
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIOacuteN
PRESENTAN
JAVIER MANUEL ALTAMIRA VARGAS
JOSUE CRISTIAN RAMIREZ RODRIGUEZ
ASESORES
M EN C SALVADOR CRUZ DEL CAMINO
ING RICARDO HURTADO RANGEL
MEacuteXICO DF 2014
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DEDICATORIA Esta tesis de la dedico a mi Dios quien supo guiarme por el buen camino darme
fuerza para seguir adelante y no desmayar en los problemas que se presentaban
ensentildeaacutendome a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer
en el intento
A mis padres y hermanos por su apoyo y confianza en todo lo necesario para
cumplir mis objetivos como persona y estudiante
A mi padre por brindarme los recursos necesarios y estar a mi lado apoyaacutendome y
aconsejaacutendome siempre
A mi madre por hacer de miacute una mejor persona a traveacutes de sus consejos
ensentildeanzas y amor
A mis hermanos por estar siempre presentes acompantildeaacutendome
Con carintildeo
Josue C Ramirez
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INDICE
INDICE 7
1 INTRODUCCION 9
11 ANTECEDENTES 9
12 OBJETIVO 11
13 ESTADO DEL ARTE 11
14 JUSTIFICACION 14
15 ALCANCES 16
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL 17
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA 17
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA 19
221 MEDIDOR DE NIVEL 19
222 ROTAMETRO 19
223 TANQUE 20
224 BOMBA CENTRIFUGA 21
225 CONTROLADOR UNIVERSAL 21
226 NIVEL 22
227 FLUJO 23
228 FUENTE ELECTRICA 24
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula) 25
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN 26
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES 28
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS 29
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN 29
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL 29
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL 29
24 PROASIS DAS WIN 30 30
25 CONTROL DE NIVEL 34
251 OBTENCION DE LA GANANCIA 37
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN 40
31 INTRODUCCIOacuteN 40
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN 41
321 MODO DE CARAacuteCTER 42
322 MODO DE BLOQUE 42
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN 43
331 SIMPLEX (SX) 43
332 HALF DUPLEX (HDX) 43
333 FULL DUPLEX (FDX) 44
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS 46
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS 47
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS 47
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS 48
353 MODBUS 49
355 MODO ASCII 52
356 MODO RTU 53
357 VARIACIONES 57
8
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE 58
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA 58
6 CONCLUSIONES 60
7 REFERENCIAS 61
8 APENDICES 61
9
1 INTRODUCCION
11 ANTECEDENTES
En la actualidad la automatizacioacuten de procesos industriales es un aacuterea de gran
trabajo e investigacioacuten Ante esta raacutepida y progresiva informatizacioacuten y
automatizacioacuten la industria requiere cada vez maacutes de personal con competencia
profesional en estos aacutembitos los alumnos deben tener el conocimiento de la
situacioacuten tecnoloacutegica actual que les permita integrarse sin dificultad en el mundo
industrial y ademaacutes deben ser capaces de adaptarse a los nuevos cambios que se
producen en el sector de la Tecnologiacutea Industrial maacutes afiacuten a los ingenieros
El control y la automatizacioacuten en la industria estaacuten evolucionando al ritmo que las
nuevas tecnologiacuteas imponen Asiacute desde los primeros reguladores de tipo mecaacutenico
hasta el electroacutenico se estaacuten desarrollando conceptos basados en tecnologiacuteas
(Software) para monitorear el comportamiento de los procesos industriales que
ofrecen nuevas posibilidades de resolver y optimizar los procesos en la actividad
industrial
Es por esto que en este trabajo se propone el software de control y supervisioacuten el
cual consta de un conjunto de procesos que forman parte de una actividad
industrial dichos procesos se regulan utilizando una amplia gama de dispositivos
que pueden realizar su trabajo de forma autoacutenoma o bien formar parte de un
sistema de control y supervisioacuten que se comunica con eacutel y que en ocasiones puede
modificar su comportamiento y programacioacuten
Para el control de los procesos productivos industriales se han puesto en boga los
sistemas de control supervisorio con adquisicioacuten de datos tambieacuten conocidos por
sus siglas inglesas como SCADA (Software Control And Data Adquisition) Se trata
de un sistema que permite controlar y monitorear desde un centro de control los
procesos de estaciones remotas distantes empleando diversos tipos de enlaces de
comunicacioacuten
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Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
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La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
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15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
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2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
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Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
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22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
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lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
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224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
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228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
2
3
4
5
DEDICATORIA Esta tesis de la dedico a mi Dios quien supo guiarme por el buen camino darme
fuerza para seguir adelante y no desmayar en los problemas que se presentaban
ensentildeaacutendome a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer
en el intento
A mis padres y hermanos por su apoyo y confianza en todo lo necesario para
cumplir mis objetivos como persona y estudiante
A mi padre por brindarme los recursos necesarios y estar a mi lado apoyaacutendome y
aconsejaacutendome siempre
A mi madre por hacer de miacute una mejor persona a traveacutes de sus consejos
ensentildeanzas y amor
A mis hermanos por estar siempre presentes acompantildeaacutendome
Con carintildeo
Josue C Ramirez
6
7
INDICE
INDICE 7
1 INTRODUCCION 9
11 ANTECEDENTES 9
12 OBJETIVO 11
13 ESTADO DEL ARTE 11
14 JUSTIFICACION 14
15 ALCANCES 16
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL 17
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA 17
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA 19
221 MEDIDOR DE NIVEL 19
222 ROTAMETRO 19
223 TANQUE 20
224 BOMBA CENTRIFUGA 21
225 CONTROLADOR UNIVERSAL 21
226 NIVEL 22
227 FLUJO 23
228 FUENTE ELECTRICA 24
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula) 25
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN 26
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES 28
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS 29
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN 29
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL 29
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL 29
24 PROASIS DAS WIN 30 30
25 CONTROL DE NIVEL 34
251 OBTENCION DE LA GANANCIA 37
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN 40
31 INTRODUCCIOacuteN 40
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN 41
321 MODO DE CARAacuteCTER 42
322 MODO DE BLOQUE 42
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN 43
331 SIMPLEX (SX) 43
332 HALF DUPLEX (HDX) 43
333 FULL DUPLEX (FDX) 44
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS 46
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS 47
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS 47
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS 48
353 MODBUS 49
355 MODO ASCII 52
356 MODO RTU 53
357 VARIACIONES 57
8
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE 58
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA 58
6 CONCLUSIONES 60
7 REFERENCIAS 61
8 APENDICES 61
9
1 INTRODUCCION
11 ANTECEDENTES
En la actualidad la automatizacioacuten de procesos industriales es un aacuterea de gran
trabajo e investigacioacuten Ante esta raacutepida y progresiva informatizacioacuten y
automatizacioacuten la industria requiere cada vez maacutes de personal con competencia
profesional en estos aacutembitos los alumnos deben tener el conocimiento de la
situacioacuten tecnoloacutegica actual que les permita integrarse sin dificultad en el mundo
industrial y ademaacutes deben ser capaces de adaptarse a los nuevos cambios que se
producen en el sector de la Tecnologiacutea Industrial maacutes afiacuten a los ingenieros
El control y la automatizacioacuten en la industria estaacuten evolucionando al ritmo que las
nuevas tecnologiacuteas imponen Asiacute desde los primeros reguladores de tipo mecaacutenico
hasta el electroacutenico se estaacuten desarrollando conceptos basados en tecnologiacuteas
(Software) para monitorear el comportamiento de los procesos industriales que
ofrecen nuevas posibilidades de resolver y optimizar los procesos en la actividad
industrial
Es por esto que en este trabajo se propone el software de control y supervisioacuten el
cual consta de un conjunto de procesos que forman parte de una actividad
industrial dichos procesos se regulan utilizando una amplia gama de dispositivos
que pueden realizar su trabajo de forma autoacutenoma o bien formar parte de un
sistema de control y supervisioacuten que se comunica con eacutel y que en ocasiones puede
modificar su comportamiento y programacioacuten
Para el control de los procesos productivos industriales se han puesto en boga los
sistemas de control supervisorio con adquisicioacuten de datos tambieacuten conocidos por
sus siglas inglesas como SCADA (Software Control And Data Adquisition) Se trata
de un sistema que permite controlar y monitorear desde un centro de control los
procesos de estaciones remotas distantes empleando diversos tipos de enlaces de
comunicacioacuten
10
Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
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la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
3
4
5
DEDICATORIA Esta tesis de la dedico a mi Dios quien supo guiarme por el buen camino darme
fuerza para seguir adelante y no desmayar en los problemas que se presentaban
ensentildeaacutendome a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer
en el intento
A mis padres y hermanos por su apoyo y confianza en todo lo necesario para
cumplir mis objetivos como persona y estudiante
A mi padre por brindarme los recursos necesarios y estar a mi lado apoyaacutendome y
aconsejaacutendome siempre
A mi madre por hacer de miacute una mejor persona a traveacutes de sus consejos
ensentildeanzas y amor
A mis hermanos por estar siempre presentes acompantildeaacutendome
Con carintildeo
Josue C Ramirez
6
7
INDICE
INDICE 7
1 INTRODUCCION 9
11 ANTECEDENTES 9
12 OBJETIVO 11
13 ESTADO DEL ARTE 11
14 JUSTIFICACION 14
15 ALCANCES 16
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL 17
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA 17
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA 19
221 MEDIDOR DE NIVEL 19
222 ROTAMETRO 19
223 TANQUE 20
224 BOMBA CENTRIFUGA 21
225 CONTROLADOR UNIVERSAL 21
226 NIVEL 22
227 FLUJO 23
228 FUENTE ELECTRICA 24
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula) 25
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN 26
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES 28
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS 29
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN 29
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL 29
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL 29
24 PROASIS DAS WIN 30 30
25 CONTROL DE NIVEL 34
251 OBTENCION DE LA GANANCIA 37
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN 40
31 INTRODUCCIOacuteN 40
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN 41
321 MODO DE CARAacuteCTER 42
322 MODO DE BLOQUE 42
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN 43
331 SIMPLEX (SX) 43
332 HALF DUPLEX (HDX) 43
333 FULL DUPLEX (FDX) 44
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS 46
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS 47
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS 47
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS 48
353 MODBUS 49
355 MODO ASCII 52
356 MODO RTU 53
357 VARIACIONES 57
8
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE 58
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA 58
6 CONCLUSIONES 60
7 REFERENCIAS 61
8 APENDICES 61
9
1 INTRODUCCION
11 ANTECEDENTES
En la actualidad la automatizacioacuten de procesos industriales es un aacuterea de gran
trabajo e investigacioacuten Ante esta raacutepida y progresiva informatizacioacuten y
automatizacioacuten la industria requiere cada vez maacutes de personal con competencia
profesional en estos aacutembitos los alumnos deben tener el conocimiento de la
situacioacuten tecnoloacutegica actual que les permita integrarse sin dificultad en el mundo
industrial y ademaacutes deben ser capaces de adaptarse a los nuevos cambios que se
producen en el sector de la Tecnologiacutea Industrial maacutes afiacuten a los ingenieros
El control y la automatizacioacuten en la industria estaacuten evolucionando al ritmo que las
nuevas tecnologiacuteas imponen Asiacute desde los primeros reguladores de tipo mecaacutenico
hasta el electroacutenico se estaacuten desarrollando conceptos basados en tecnologiacuteas
(Software) para monitorear el comportamiento de los procesos industriales que
ofrecen nuevas posibilidades de resolver y optimizar los procesos en la actividad
industrial
Es por esto que en este trabajo se propone el software de control y supervisioacuten el
cual consta de un conjunto de procesos que forman parte de una actividad
industrial dichos procesos se regulan utilizando una amplia gama de dispositivos
que pueden realizar su trabajo de forma autoacutenoma o bien formar parte de un
sistema de control y supervisioacuten que se comunica con eacutel y que en ocasiones puede
modificar su comportamiento y programacioacuten
Para el control de los procesos productivos industriales se han puesto en boga los
sistemas de control supervisorio con adquisicioacuten de datos tambieacuten conocidos por
sus siglas inglesas como SCADA (Software Control And Data Adquisition) Se trata
de un sistema que permite controlar y monitorear desde un centro de control los
procesos de estaciones remotas distantes empleando diversos tipos de enlaces de
comunicacioacuten
10
Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
4
5
DEDICATORIA Esta tesis de la dedico a mi Dios quien supo guiarme por el buen camino darme
fuerza para seguir adelante y no desmayar en los problemas que se presentaban
ensentildeaacutendome a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer
en el intento
A mis padres y hermanos por su apoyo y confianza en todo lo necesario para
cumplir mis objetivos como persona y estudiante
A mi padre por brindarme los recursos necesarios y estar a mi lado apoyaacutendome y
aconsejaacutendome siempre
A mi madre por hacer de miacute una mejor persona a traveacutes de sus consejos
ensentildeanzas y amor
A mis hermanos por estar siempre presentes acompantildeaacutendome
Con carintildeo
Josue C Ramirez
6
7
INDICE
INDICE 7
1 INTRODUCCION 9
11 ANTECEDENTES 9
12 OBJETIVO 11
13 ESTADO DEL ARTE 11
14 JUSTIFICACION 14
15 ALCANCES 16
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL 17
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA 17
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA 19
221 MEDIDOR DE NIVEL 19
222 ROTAMETRO 19
223 TANQUE 20
224 BOMBA CENTRIFUGA 21
225 CONTROLADOR UNIVERSAL 21
226 NIVEL 22
227 FLUJO 23
228 FUENTE ELECTRICA 24
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula) 25
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN 26
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES 28
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS 29
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN 29
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL 29
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL 29
24 PROASIS DAS WIN 30 30
25 CONTROL DE NIVEL 34
251 OBTENCION DE LA GANANCIA 37
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN 40
31 INTRODUCCIOacuteN 40
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN 41
321 MODO DE CARAacuteCTER 42
322 MODO DE BLOQUE 42
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN 43
331 SIMPLEX (SX) 43
332 HALF DUPLEX (HDX) 43
333 FULL DUPLEX (FDX) 44
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS 46
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS 47
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS 47
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS 48
353 MODBUS 49
355 MODO ASCII 52
356 MODO RTU 53
357 VARIACIONES 57
8
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE 58
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA 58
6 CONCLUSIONES 60
7 REFERENCIAS 61
8 APENDICES 61
9
1 INTRODUCCION
11 ANTECEDENTES
En la actualidad la automatizacioacuten de procesos industriales es un aacuterea de gran
trabajo e investigacioacuten Ante esta raacutepida y progresiva informatizacioacuten y
automatizacioacuten la industria requiere cada vez maacutes de personal con competencia
profesional en estos aacutembitos los alumnos deben tener el conocimiento de la
situacioacuten tecnoloacutegica actual que les permita integrarse sin dificultad en el mundo
industrial y ademaacutes deben ser capaces de adaptarse a los nuevos cambios que se
producen en el sector de la Tecnologiacutea Industrial maacutes afiacuten a los ingenieros
El control y la automatizacioacuten en la industria estaacuten evolucionando al ritmo que las
nuevas tecnologiacuteas imponen Asiacute desde los primeros reguladores de tipo mecaacutenico
hasta el electroacutenico se estaacuten desarrollando conceptos basados en tecnologiacuteas
(Software) para monitorear el comportamiento de los procesos industriales que
ofrecen nuevas posibilidades de resolver y optimizar los procesos en la actividad
industrial
Es por esto que en este trabajo se propone el software de control y supervisioacuten el
cual consta de un conjunto de procesos que forman parte de una actividad
industrial dichos procesos se regulan utilizando una amplia gama de dispositivos
que pueden realizar su trabajo de forma autoacutenoma o bien formar parte de un
sistema de control y supervisioacuten que se comunica con eacutel y que en ocasiones puede
modificar su comportamiento y programacioacuten
Para el control de los procesos productivos industriales se han puesto en boga los
sistemas de control supervisorio con adquisicioacuten de datos tambieacuten conocidos por
sus siglas inglesas como SCADA (Software Control And Data Adquisition) Se trata
de un sistema que permite controlar y monitorear desde un centro de control los
procesos de estaciones remotas distantes empleando diversos tipos de enlaces de
comunicacioacuten
10
Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
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la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
5
DEDICATORIA Esta tesis de la dedico a mi Dios quien supo guiarme por el buen camino darme
fuerza para seguir adelante y no desmayar en los problemas que se presentaban
ensentildeaacutendome a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer
en el intento
A mis padres y hermanos por su apoyo y confianza en todo lo necesario para
cumplir mis objetivos como persona y estudiante
A mi padre por brindarme los recursos necesarios y estar a mi lado apoyaacutendome y
aconsejaacutendome siempre
A mi madre por hacer de miacute una mejor persona a traveacutes de sus consejos
ensentildeanzas y amor
A mis hermanos por estar siempre presentes acompantildeaacutendome
Con carintildeo
Josue C Ramirez
6
7
INDICE
INDICE 7
1 INTRODUCCION 9
11 ANTECEDENTES 9
12 OBJETIVO 11
13 ESTADO DEL ARTE 11
14 JUSTIFICACION 14
15 ALCANCES 16
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL 17
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA 17
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA 19
221 MEDIDOR DE NIVEL 19
222 ROTAMETRO 19
223 TANQUE 20
224 BOMBA CENTRIFUGA 21
225 CONTROLADOR UNIVERSAL 21
226 NIVEL 22
227 FLUJO 23
228 FUENTE ELECTRICA 24
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula) 25
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN 26
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES 28
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS 29
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN 29
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL 29
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL 29
24 PROASIS DAS WIN 30 30
25 CONTROL DE NIVEL 34
251 OBTENCION DE LA GANANCIA 37
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN 40
31 INTRODUCCIOacuteN 40
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN 41
321 MODO DE CARAacuteCTER 42
322 MODO DE BLOQUE 42
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN 43
331 SIMPLEX (SX) 43
332 HALF DUPLEX (HDX) 43
333 FULL DUPLEX (FDX) 44
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS 46
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS 47
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS 47
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS 48
353 MODBUS 49
355 MODO ASCII 52
356 MODO RTU 53
357 VARIACIONES 57
8
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE 58
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA 58
6 CONCLUSIONES 60
7 REFERENCIAS 61
8 APENDICES 61
9
1 INTRODUCCION
11 ANTECEDENTES
En la actualidad la automatizacioacuten de procesos industriales es un aacuterea de gran
trabajo e investigacioacuten Ante esta raacutepida y progresiva informatizacioacuten y
automatizacioacuten la industria requiere cada vez maacutes de personal con competencia
profesional en estos aacutembitos los alumnos deben tener el conocimiento de la
situacioacuten tecnoloacutegica actual que les permita integrarse sin dificultad en el mundo
industrial y ademaacutes deben ser capaces de adaptarse a los nuevos cambios que se
producen en el sector de la Tecnologiacutea Industrial maacutes afiacuten a los ingenieros
El control y la automatizacioacuten en la industria estaacuten evolucionando al ritmo que las
nuevas tecnologiacuteas imponen Asiacute desde los primeros reguladores de tipo mecaacutenico
hasta el electroacutenico se estaacuten desarrollando conceptos basados en tecnologiacuteas
(Software) para monitorear el comportamiento de los procesos industriales que
ofrecen nuevas posibilidades de resolver y optimizar los procesos en la actividad
industrial
Es por esto que en este trabajo se propone el software de control y supervisioacuten el
cual consta de un conjunto de procesos que forman parte de una actividad
industrial dichos procesos se regulan utilizando una amplia gama de dispositivos
que pueden realizar su trabajo de forma autoacutenoma o bien formar parte de un
sistema de control y supervisioacuten que se comunica con eacutel y que en ocasiones puede
modificar su comportamiento y programacioacuten
Para el control de los procesos productivos industriales se han puesto en boga los
sistemas de control supervisorio con adquisicioacuten de datos tambieacuten conocidos por
sus siglas inglesas como SCADA (Software Control And Data Adquisition) Se trata
de un sistema que permite controlar y monitorear desde un centro de control los
procesos de estaciones remotas distantes empleando diversos tipos de enlaces de
comunicacioacuten
10
Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
6
7
INDICE
INDICE 7
1 INTRODUCCION 9
11 ANTECEDENTES 9
12 OBJETIVO 11
13 ESTADO DEL ARTE 11
14 JUSTIFICACION 14
15 ALCANCES 16
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL 17
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA 17
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA 19
221 MEDIDOR DE NIVEL 19
222 ROTAMETRO 19
223 TANQUE 20
224 BOMBA CENTRIFUGA 21
225 CONTROLADOR UNIVERSAL 21
226 NIVEL 22
227 FLUJO 23
228 FUENTE ELECTRICA 24
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula) 25
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN 26
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES 28
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS 29
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN 29
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL 29
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL 29
24 PROASIS DAS WIN 30 30
25 CONTROL DE NIVEL 34
251 OBTENCION DE LA GANANCIA 37
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN 40
31 INTRODUCCIOacuteN 40
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN 41
321 MODO DE CARAacuteCTER 42
322 MODO DE BLOQUE 42
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN 43
331 SIMPLEX (SX) 43
332 HALF DUPLEX (HDX) 43
333 FULL DUPLEX (FDX) 44
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS 46
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS 47
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS 47
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS 48
353 MODBUS 49
355 MODO ASCII 52
356 MODO RTU 53
357 VARIACIONES 57
8
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE 58
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA 58
6 CONCLUSIONES 60
7 REFERENCIAS 61
8 APENDICES 61
9
1 INTRODUCCION
11 ANTECEDENTES
En la actualidad la automatizacioacuten de procesos industriales es un aacuterea de gran
trabajo e investigacioacuten Ante esta raacutepida y progresiva informatizacioacuten y
automatizacioacuten la industria requiere cada vez maacutes de personal con competencia
profesional en estos aacutembitos los alumnos deben tener el conocimiento de la
situacioacuten tecnoloacutegica actual que les permita integrarse sin dificultad en el mundo
industrial y ademaacutes deben ser capaces de adaptarse a los nuevos cambios que se
producen en el sector de la Tecnologiacutea Industrial maacutes afiacuten a los ingenieros
El control y la automatizacioacuten en la industria estaacuten evolucionando al ritmo que las
nuevas tecnologiacuteas imponen Asiacute desde los primeros reguladores de tipo mecaacutenico
hasta el electroacutenico se estaacuten desarrollando conceptos basados en tecnologiacuteas
(Software) para monitorear el comportamiento de los procesos industriales que
ofrecen nuevas posibilidades de resolver y optimizar los procesos en la actividad
industrial
Es por esto que en este trabajo se propone el software de control y supervisioacuten el
cual consta de un conjunto de procesos que forman parte de una actividad
industrial dichos procesos se regulan utilizando una amplia gama de dispositivos
que pueden realizar su trabajo de forma autoacutenoma o bien formar parte de un
sistema de control y supervisioacuten que se comunica con eacutel y que en ocasiones puede
modificar su comportamiento y programacioacuten
Para el control de los procesos productivos industriales se han puesto en boga los
sistemas de control supervisorio con adquisicioacuten de datos tambieacuten conocidos por
sus siglas inglesas como SCADA (Software Control And Data Adquisition) Se trata
de un sistema que permite controlar y monitorear desde un centro de control los
procesos de estaciones remotas distantes empleando diversos tipos de enlaces de
comunicacioacuten
10
Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
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Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
7
INDICE
INDICE 7
1 INTRODUCCION 9
11 ANTECEDENTES 9
12 OBJETIVO 11
13 ESTADO DEL ARTE 11
14 JUSTIFICACION 14
15 ALCANCES 16
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL 17
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA 17
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA 19
221 MEDIDOR DE NIVEL 19
222 ROTAMETRO 19
223 TANQUE 20
224 BOMBA CENTRIFUGA 21
225 CONTROLADOR UNIVERSAL 21
226 NIVEL 22
227 FLUJO 23
228 FUENTE ELECTRICA 24
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula) 25
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN 26
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES 28
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS 29
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN 29
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL 29
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL 29
24 PROASIS DAS WIN 30 30
25 CONTROL DE NIVEL 34
251 OBTENCION DE LA GANANCIA 37
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN 40
31 INTRODUCCIOacuteN 40
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN 41
321 MODO DE CARAacuteCTER 42
322 MODO DE BLOQUE 42
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN 43
331 SIMPLEX (SX) 43
332 HALF DUPLEX (HDX) 43
333 FULL DUPLEX (FDX) 44
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS 46
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS 47
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS 47
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS 48
353 MODBUS 49
355 MODO ASCII 52
356 MODO RTU 53
357 VARIACIONES 57
8
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE 58
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA 58
6 CONCLUSIONES 60
7 REFERENCIAS 61
8 APENDICES 61
9
1 INTRODUCCION
11 ANTECEDENTES
En la actualidad la automatizacioacuten de procesos industriales es un aacuterea de gran
trabajo e investigacioacuten Ante esta raacutepida y progresiva informatizacioacuten y
automatizacioacuten la industria requiere cada vez maacutes de personal con competencia
profesional en estos aacutembitos los alumnos deben tener el conocimiento de la
situacioacuten tecnoloacutegica actual que les permita integrarse sin dificultad en el mundo
industrial y ademaacutes deben ser capaces de adaptarse a los nuevos cambios que se
producen en el sector de la Tecnologiacutea Industrial maacutes afiacuten a los ingenieros
El control y la automatizacioacuten en la industria estaacuten evolucionando al ritmo que las
nuevas tecnologiacuteas imponen Asiacute desde los primeros reguladores de tipo mecaacutenico
hasta el electroacutenico se estaacuten desarrollando conceptos basados en tecnologiacuteas
(Software) para monitorear el comportamiento de los procesos industriales que
ofrecen nuevas posibilidades de resolver y optimizar los procesos en la actividad
industrial
Es por esto que en este trabajo se propone el software de control y supervisioacuten el
cual consta de un conjunto de procesos que forman parte de una actividad
industrial dichos procesos se regulan utilizando una amplia gama de dispositivos
que pueden realizar su trabajo de forma autoacutenoma o bien formar parte de un
sistema de control y supervisioacuten que se comunica con eacutel y que en ocasiones puede
modificar su comportamiento y programacioacuten
Para el control de los procesos productivos industriales se han puesto en boga los
sistemas de control supervisorio con adquisicioacuten de datos tambieacuten conocidos por
sus siglas inglesas como SCADA (Software Control And Data Adquisition) Se trata
de un sistema que permite controlar y monitorear desde un centro de control los
procesos de estaciones remotas distantes empleando diversos tipos de enlaces de
comunicacioacuten
10
Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
8
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE 58
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA 58
6 CONCLUSIONES 60
7 REFERENCIAS 61
8 APENDICES 61
9
1 INTRODUCCION
11 ANTECEDENTES
En la actualidad la automatizacioacuten de procesos industriales es un aacuterea de gran
trabajo e investigacioacuten Ante esta raacutepida y progresiva informatizacioacuten y
automatizacioacuten la industria requiere cada vez maacutes de personal con competencia
profesional en estos aacutembitos los alumnos deben tener el conocimiento de la
situacioacuten tecnoloacutegica actual que les permita integrarse sin dificultad en el mundo
industrial y ademaacutes deben ser capaces de adaptarse a los nuevos cambios que se
producen en el sector de la Tecnologiacutea Industrial maacutes afiacuten a los ingenieros
El control y la automatizacioacuten en la industria estaacuten evolucionando al ritmo que las
nuevas tecnologiacuteas imponen Asiacute desde los primeros reguladores de tipo mecaacutenico
hasta el electroacutenico se estaacuten desarrollando conceptos basados en tecnologiacuteas
(Software) para monitorear el comportamiento de los procesos industriales que
ofrecen nuevas posibilidades de resolver y optimizar los procesos en la actividad
industrial
Es por esto que en este trabajo se propone el software de control y supervisioacuten el
cual consta de un conjunto de procesos que forman parte de una actividad
industrial dichos procesos se regulan utilizando una amplia gama de dispositivos
que pueden realizar su trabajo de forma autoacutenoma o bien formar parte de un
sistema de control y supervisioacuten que se comunica con eacutel y que en ocasiones puede
modificar su comportamiento y programacioacuten
Para el control de los procesos productivos industriales se han puesto en boga los
sistemas de control supervisorio con adquisicioacuten de datos tambieacuten conocidos por
sus siglas inglesas como SCADA (Software Control And Data Adquisition) Se trata
de un sistema que permite controlar y monitorear desde un centro de control los
procesos de estaciones remotas distantes empleando diversos tipos de enlaces de
comunicacioacuten
10
Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
9
1 INTRODUCCION
11 ANTECEDENTES
En la actualidad la automatizacioacuten de procesos industriales es un aacuterea de gran
trabajo e investigacioacuten Ante esta raacutepida y progresiva informatizacioacuten y
automatizacioacuten la industria requiere cada vez maacutes de personal con competencia
profesional en estos aacutembitos los alumnos deben tener el conocimiento de la
situacioacuten tecnoloacutegica actual que les permita integrarse sin dificultad en el mundo
industrial y ademaacutes deben ser capaces de adaptarse a los nuevos cambios que se
producen en el sector de la Tecnologiacutea Industrial maacutes afiacuten a los ingenieros
El control y la automatizacioacuten en la industria estaacuten evolucionando al ritmo que las
nuevas tecnologiacuteas imponen Asiacute desde los primeros reguladores de tipo mecaacutenico
hasta el electroacutenico se estaacuten desarrollando conceptos basados en tecnologiacuteas
(Software) para monitorear el comportamiento de los procesos industriales que
ofrecen nuevas posibilidades de resolver y optimizar los procesos en la actividad
industrial
Es por esto que en este trabajo se propone el software de control y supervisioacuten el
cual consta de un conjunto de procesos que forman parte de una actividad
industrial dichos procesos se regulan utilizando una amplia gama de dispositivos
que pueden realizar su trabajo de forma autoacutenoma o bien formar parte de un
sistema de control y supervisioacuten que se comunica con eacutel y que en ocasiones puede
modificar su comportamiento y programacioacuten
Para el control de los procesos productivos industriales se han puesto en boga los
sistemas de control supervisorio con adquisicioacuten de datos tambieacuten conocidos por
sus siglas inglesas como SCADA (Software Control And Data Adquisition) Se trata
de un sistema que permite controlar y monitorear desde un centro de control los
procesos de estaciones remotas distantes empleando diversos tipos de enlaces de
comunicacioacuten
10
Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
10
Estos sistemas ldquopermiten un gobierno total de la planta aunando las ventajas de
seguridad de autoacutematas industriales y el control y gestioacuten mediante computadoras
que permiten interfaces graacuteficas muy amigables e intuitivas para el operariordquo
El monitoreo y control de procesos industriales poseen caracteriacutesticas distintivas
muchas de ellas criacuteticas que impactan fuertemente en la comunicacioacuten que se debe
propiciar La incorporacioacuten de nuevas tecnologiacuteas en los sistemas de control y los
avances en las tecnologiacuteas de recoleccioacuten y comunicacioacuten de datos han impactado
en la forma en que los operadores interactuacutean con estos sistemas Desde el punto de
vista del disentildeo de interfaces podemos dividir los problemas que presentan las
interfaces de estos sistemas en dos grandes grupos el mostrado del estado del
proceso de manera efectiva y las interacciones que deben proveerse para que la tarea
propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
11
12 OBJETIVO
Disentildear un software para monitorear el comportamiento de la variable manipulada
y controlada con el fin de evaluar el desempentildeo del controlador
13 ESTADO DEL ARTE
El control automaacutetico ha desempentildeado un papel vital en el avance de la ingenieriacutea y
la ciencia ademaacutes de ser esencial en las operaciones industriales como el control de
presioacuten temperatura humedad viscosidad y nivel en las industrias de procesos Los
primeros sistemas de control aparecen a principio de los antildeos 50 eacutestos se
instalaban en salas muy grandes y separadas lo que produciacutea que la comunicacioacuten
entre los operadores y la maquina fuera muy compleja como muestra de ello se
teniacutean instrumentos que registraban hasta 20 sentildeales en pantallas de proyeccioacuten de
diapositivas de modo que fuera maacutes faacutecil distinguir los puntos que se estuvieran
registrando para que asiacute el operador tuviera informacioacuten clara del proceso y tratase
de tomar la decisioacuten maacutes acertada Debido al desarrollo tecnoloacutegico en la deacutecada de
los 70 surgen los primeros instrumentos electroacutenicos como los controladores
reguladores y servomecanismos gracias a ello se generoacute el primer uso del control
automaacutetico en la industria parece haber sido el regulador centriacutefugo de la maacutequina
de vapor de Watt en el antildeo 1775 aproximadamente Este aparato fue utilizado para
regular la velocidad de la maacutequina manipulando el caudal de vapor por medio de
una vaacutelvula A partir de todo este desarrollo surge la necesidad de coordinar los
diversos tipos de controladores estableciendo una jerarquizacioacuten entre los mismos
para lograr una versatilidad que permitiera el cambio faacutecil del tipo de controlador y
obtener la mayor economiacutea posible en el control de la planta Estas caracteriacutesticas
las reuacutene el denominado control distribuido introducido en 1975 en el que uno o
varios microprocesadores se encuentran repartidos en uno o varios puntos de la
planta conectados a varias sentildeales de proceso correspondientes en general en una
parte homogeacutenea de la planta En el control distribuido el proveedor suministra las
pantallas de control de manera que se hace innecesario el proyecto de realizacioacuten
del panel de control Conviene que el usuario presente el tipo de representacioacuten
visual que le interese mostrando la ayuda en el disentildeo de pantallas para la
descripcioacuten del proceso incluyendo la participacioacuten de los futuros operadores de la
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
12
planta para que ellos aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta
puedan influir en la construccioacuten o fabricacioacuten de los diagramas con los que despueacutes
van a controlar el proceso Ademaacutes el operador tiene acceso a todos los datos de los
controladores y puede visualizarlos a traveacutes de pantallas de televisioacuten ya que se halla
en contacto con los mismos a traveacutes de la viacutea de comunicaciones Si se desea puede
acoplarse una computadora al proceso para resolver problemas de la direccioacuten de la
planta desde los maacutes sencillos como la tendencia de variables y su interrelacioacuten
hasta los maacutes complejos como la auditoria energeacutetica y la optimizacioacuten de costos de
las diversas secciones de la faacutebrica La arquitectura distribuida de las diversas
funciones de la computadora permite relacionar entre siacute los valores de variables tales
como el estado del inventario anaacutelisis de productos automatizacioacuten de la
produccioacuten mantenimiento y la informacioacuten necesaria para la direccioacuten para una
toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta En el presente puede
afirmarse que la tecnologiacutea digital evoluciona todaviacutea maacutes integrando totalmente la
informacioacuten de la planta con un flujo de informacioacuten continua entre las diversas
secciones de la planta (fabricacioacuten mantenimiento gestioacuten etc) La aplicacioacuten de
los instrumentos neumaacuteticos y electroacutenicos-analoacutegicos quedaraacute limitada a pequentildeas
plantas ya que frente a la instrumentacioacuten digital tiene una peor relacioacuten costo-
prestaciones y no dispone de la facilidad de comunicacioacuten entre instrumentos que
posee la digital En la segunda mitad de la deacutecada de los ochenta alrededor del antildeo
1986 algunas compantildeiacuteas como National Instruments introducen herramientas de
software que les permite a los ingenieros desarrollar sistemas de la misma forma
como se crearon antes las hojas de caacutelculo para facilitar el trabajo en el anaacutelisis
financiero de datos En la tabla No 11 se muestra una comparacioacuten entre los
instrumentos tradicionales y los virtuales
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
13
INSTRUMENTACION TRADICIONAL
INSTRUMENTACION VIRTUAL
DEFINIDO POR EL PROVEEDOR DEFINIDA POR EL USUSARIO
POSEE UNA FUNCION ESPECIFICA LO QUE CONDUCE A TENER UNA BAJA CAPACIDAD DE INTERACCION
SISTEMAS ORIENTADOS A LA APLICACIOacuteN CON CAPACIDADE DE INTERACTUAR CON REDES PERIFERICOS Y OTRAS APLICACIONES
SE BASA EN EL HADWARE SE BASA EN EL SOFTWARE
EL COSTO DE ADQUISICION ES ALTO
BAJO COSTO REPROGRAMABLE
TECNOLOGIA BASE ESTABLE (CICLO DE VIDA 5 A 10 ANtildeOS)
TECNOLOGIA BASE EN CONSTANTE DESARROLLO (CICLO DE VIDA 1 A 2 ANtildeOS)
MINIMA ECONOMIA DE ESCALA MAXIMA ECONOMIA DE ESCALA
COSTO DE DESARROLLO Y
MENTENIMIENTO ELEVADOS
EL USO DEL SOFTWARE MINIMIZA LOS COSTOS DE DESARROLLO Y MANTENIMIENTO
Tabla 11 Caracteriacutesticas de un Instrumento Tradicional frente a uno Virtual
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
14
14 JUSTIFICACION
El ingeniero en control y automatizacioacuten debe decidir coacutemo aprovechar mejor los
nuevos recursos provistos por la innovacioacuten tecnoloacutegica y de queacute manera impactan
en la interfaz hombre-maacutequina Las cuestiones relativas a la interfaz hombre-
maacutequina involucran decisiones sobre la cantidad y tipo de responsabilidad de
control que se debe delegar en el operador y cuaacutento puede eacuteste manejar en forma
segura En este sentido el ingeniero de control debe resolver aspectos tales como la
determinacioacuten de cuaacutel es la cantidad de informacioacuten que puede procesar y manejar
un operador ante una situacioacuten problemaacutetica y en consecuencia coacutemo se debe
disentildear el sistema de monitoreo y las alarmas para que esa carga disminuya a niveles
seguros o aceptables
Este tipo de monitoreo de procesos industriales lo podemos dividir en dos grandes
grupos el mostrado del estado del proceso de manera efectiva y las interacciones
que deben proveerse para que la tarea propuesta pueda llevarse a cabo con eacutexito Es
indiscutible que uno de los factores en comuacuten lo constituye el humano es el
operador el que debe poder interpretar la informacioacuten mostrada interactuar para
poder acceder a la informacioacuten que necesita para determinar la accioacuten a seguir y
poder completar el ciclo realizando las acciones correctivas necesarias
Dentro del campo de la Automatizacioacuten existen diversos tipos de control los cuales
poseen varios criterios para la estimacioacuten de los paraacutemetros del sistema y una
adecuada implementacioacuten En los procesos industriales la medicioacuten y el control de
las variables de nivel y flujo se hacen necesarios cuando se pretende tener una
produccioacuten continua al mantener una presioacuten hidrostaacutetica cuando un proceso
requiere de control y medicioacuten de voluacutemenes de liacutequidos oacute bien en el caso maacutes
simple para evitar que un liacutequido se derrame la medicioacuten de estos paraacutemetros en
los liacutequidos dentro de un recipiente parece sencilla pero puede convertirse en un
problema relativamente difiacutecil en los siguientes casos cuando el material es
corrosivo oacute abrasivo al exponerlo a altas presiones si es radioactivo oacute si se
encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes moacuteviles oacute
cuando es praacutecticamente imposible mantenerlas
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
15
La medicioacuten de nivel de liacutequidos y soacute1idos es una de las variables maacutes importantes
en los procesos industriales seguida de la medicioacuten de temperatura presioacuten y flujo
La medicioacuten de nivel es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de
un proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboracioacuten de un producto determinado
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Un anaacutelisis final para la medicioacuten y control de nivel de liacutequidos en la operacioacuten de
un proceso comuacutenmente se puede justificar por razones de economiacutea y seguridad
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a la cantidad de
materia prima disponible para el proceso capacidad de almacenamiento disponible
para el producto que se estaacute elaborando y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para
el proceso
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
16
15 ALCANCES
Ya que hoy en diacutea la instrumentacioacuten virtual sigue siendo una de las opciones
favoritas para construir sistemas de automatizacioacuten y control de procesos En este
trabajo se realiza un programa disentildeado en un software de gran utilidad en
automatizacioacuten como lo es Visual Basic y en conjunto con la ayuda de la tarjeta de
adquisicioacuten de datos nos permite realizar la comunicacioacuten entre diversos
dispositivos conectados entre siacute con el objetivo de tener una interfaz para
monitorear el comportamiento de la variable manipulada y controlada que en este
caso es el nivel dentro del tanque atmosfeacuterico con el fin de evaluar el desempentildeo del
controlador y garantizar la correcta operacioacuten de los mismos
Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la
industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingenieriacutea del Instituto
Politeacutecnico Nacional comprendan y analicen estos temas de un modo maacutes praacutectico
se desarrolloacute este proyecto que tiene como objetivo disentildear e implementar un
moacutedulo de apoyo didaacutectico de monitoreo y control de nivel basado en PC bajo
plataforma Windows Integrando entonces los recursos humanos a los tecnoloacutegicos
y que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los
estudiantes y sea un programa piloto modelo de innovacioacuten empentildeo y muestra de
colaboracioacuten del alma mater obteniendo como valor agregado el posicionamiento
de la Ingenieriacutea en Control y Automatizacioacuten a nivel regional y nacional el
desempentildeo brillante de sus egresados y el deseo de muchos Mexicanos de formarse
y capacitarse en tan prestigiosa institucioacuten
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
17
2 DESCRIPCION DEL CONTROL Y EL SISTEMA DE NIVEL
21 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA
El funcionamiento de la planta tiene como principio el control de nivel con el
objetivo de mantener a la planta en un nivel constante para eso se cuenta con un
equipo de nivel que a continuacioacuten se describe Todo control de nivel tiene los
objetivos de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de
almacenamiento para un determinado volumen en el proceso
Para controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos de
medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
El Software para supervisar y evaluar el sistema de control de nivel basado en PC
bajo plataforma Visual Basic integra software y hardware especializado para el
monitoreo y control de las variables definidas en el disentildeo del sistema
El software montado bajo plataforma Visual Basic mediante una Tarjeta DAQ
(DAS-8000) adquiere la informacioacuten proveniente del sensor de nivel ubicado en el
tanque distribuidor dicho sensor operan mediante el principio de medicioacuten de
flotador y cuerda el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por
medio de una cuerda la cual opera una polea El flotador hace que la polea se
mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una
medicioacuten uniforme por medio de una variacioacuten del valor de resistencia de un
potencioacutemetro lineal el cual es usado para indicacioacuten y registro
El software desarrollado transforma la sentildeal proveniente del sensor en valores que
indican el nivel del tanque En la Figura 21 se observa el diagrama representativo
del sistema
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
18
Medidor de nivel
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Servo vaacutelvula
Vaacutelvula solenoide
Vaacutelvula mecaacutenica
Bomba
LELR
Tanque
V1
V2 V3
V4FE Rotametro
Fig 21 Diagrama del sistema
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
19
22 DESCRIPCIOacuteN DE LA PLANTA
221 MEDIDOR DE NIVEL
Su uso es para recipientes abiertos como los anteriores veacutease Figura 22 Su forma
de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo del tanque
La ventaja de este meacutetodo sobre el anterior es que permite medir el nivel en tanques
maacutes profundos
Fig 22 Medidor de Nivel
Encargado de adquirir la informacioacuten del sistema con el fin de monitorear y ejercer
control con el software en Visual Basic
222 ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un
tubo vertical ligeramente coacutenico con el extremo de menor diaacutemetro en la parte
inferior veacutease la figura 23
El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la
base del flotador al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de
flujo por el aacuterea anular aacuterea formada entre el flotador y la pared del tubo y seraacute tal
que la caiacuteda de presioacuten en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador en ese momento el flotador permanece estacionario
en alguacuten punto del tubo
La peacuterdida de presioacuten se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo
Entonces para cada flujo El flotador alcanza una altura determinada El tubo coacutenico
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
20
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo
maacuteximo Los rotaacutemetros no necesitan tramos rectos de tuberiacutea antes y despueacutes del
punto donde se instalan
Fig 23 Rota metro de flujo
223 TANQUE
Los tanques atmosfeacutericos son un elemento fundamental en una red de
abastecimiento de agua potable para compensar las variaciones horarias de la
demanda de agua veacutease figura 24 En efecto las plantas requieren de un buen
abastecimiento y poca variacioacuten del caudal Los tanques absorben las variaciones
horarias cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan y cuando el
consumo es maacuteximo (como por ejemplo a la hora de cocinar) se vaciacutean
Fig 24 Tanque
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
21
224 BOMBA CENTRIFUGA
Encargada de suministrar el agua a la red de tuberiacuteas desde el tanque distribuidor al
acumulador veacutease figura 25 En hidraacuteulica una bomba es un sistema mecaacutenico o
electro-mecaacutenico que puede formar parte de un sistema hidraacuteulico o hiacutedrico el cual
aprovecha la energiacutea del movimiento realizando acciones de regulacioacuten y control
para elevar o mover el agua
Las bombas pueden usarse para contrarrestar la fuerza de gravedad o bien cuando
las cantildeeriacuteas son muy largas horizontales o con un poco de declive Existen
principalmente dos tipos estaacuteticas y dinaacutemicas
Fig 25 Bomba centrifuga
225 CONTROLADOR UNIVERSAL
Un controlador de dispositivo (llamado normalmente controlador o en ingleacutes
driver) es un programa informaacutetico que permite al sistema operativo interactuar con
un perifeacuterico haciendo una abstraccioacuten del hardware y proporcionando una interfaz
posiblemente estandarizada para usarlo
Es como un manual de instrucciones que le indica coacutemo debe controlar y
comunicarse con un dispositivo en particular Por tanto es una pieza esencial sin la
cual no se podriacutea usar el hardware
Existen tantos tipos de controladores como tipos de perifeacutericos y es frecuente
encontrar maacutes de un controlador posible para el mismo dispositivo cada uno
ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
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la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
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Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
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Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
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Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
22
Por ejemplo aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la paacutegina web del
fabricante) se pueden encontrar tambieacuten los proporcionados por el sistema
operativo o tambieacuten versiones no oficiales hechas por terceros
Estos controladores pueden ser geneacutericos (vaacutelidos para maacutes de un modelo del mismo
perifeacuterico) o especiacuteficos para cada modelo Tambieacuten se distribuyen actualizaciones a
nuevas versiones que pueden dar un mejor funcionamiento
Fig Controlador Universal
226 NIVEL
Es la distancia existente entre una liacutenea de referencia y la superficie del fluido
generalmente dicha liacutenea de referencia se toma como fondo del recipiente
Como se mencionoacute anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida maacutes
faacutecilmente pero existen otros factores tales como viscosidad del fluido tipo de
medicioacuten deseada presioacuten si el recipiente estaacute o no presurizado que traen como
consecuencias que existan varios meacutetodos y tipos de instrumentos medidores del
nivel El medidor de nivel seleccionado dependeraacute de nuestras necesidades o
condiciones de operacioacuten
Los meacutetodos utilizados para la medicioacuten del nivel de liacutequidos baacutesicamente pueden
ser clasificados en Meacutetodos de medicioacuten directa y meacutetodo de medicioacuten indirecta
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
23
Fig 27 Transmisor de Nivel
227 FLUJO
Es la cantidad de fluido que pasa a traveacutes de la seccioacuten por unidad de tiempo Por
ejemplo en cierta tuberiacutea puede haber un reacutegimen de flujo de 100 galones de agua
por minuto Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua Si se considera el nuacutemero de galones que van a pasar a partir de
cierto momento despueacutes de dos minutos 200 galones etc Si el reacutegimen de flujo se
mantiene con el mismo valor despueacutes de cierto tiempo habraacute pasado un nuacutemero
total de galones igual al reacutegimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido
por ejemplo despueacutes de 15 minutos habraacuten pasado 100 x 15 = 1500 galones
Al contrario dividiendo el nuacutemero total de galones entre el tiempo se obtiene el
reacutegimen de flujo En el ejemplo anterior 150015 = 100 galmin
La cantidad de cierto liacutequido gas o vapor se puede medir en unidades de masa y el
reacutegimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo por ejemplo en libras
por hora De hecho en la praacutectica se utilizan dichas unidades especialmente cuando
se trata de vapor de agua
Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el reacutegimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo por
ejemplo galones por minuto barriles por diacutea pies cuacutebicos por hora Generalmente
la cantidad de agua se mide en galones a 60 degF la de otros liacutequidos manejados en la
industria del petroacuteleo en barriles a 60 degF la cantidad de gas en pies cuacutebicos a 60 degF
y 147 lb plg
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
24
228 FUENTE ELECTRICA
En electricidad se entiende por fuente al elemento activo que es capaz de generar
una diferencia de potenciales (d d p) entre sus bornes o proporcionar una
corriente eleacutectrica A continuacioacuten se indica una posible clasificacioacuten de las fuentes
eleacutectricas
Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoriacutea de circuitos para el anaacutelisis y
la creacioacuten de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes
electroacutenicos o circuitos reales Pueden ser independientes si sus magnitudes
(tensioacuten o corriente) son siempre constantes o dependientes en el caso de que
dependan de otra magnitud (tensioacuten o corriente)
En este punto se trataraacuten las fuentes independientes dejando las dependientes para
el final Sus siacutembolos pueden observarse en la figura 1 El signo + en la fuente de
tensioacuten indica el polo positivo o aacutenodo siendo el extremo opuesto el caacutetodo y E el
valor de su fuerza electromotriz (Fem) En la fuente de intensidad la direccioacuten de la
flecha indica la direccioacuten de la corriente eleacutectrica e I su valor A continuacioacuten se dan
sus definiciones
Fuente de tensioacuten ideal aquella que genera una d d p entre sus terminales
constante e independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es
infinita se diraacute que la fuente estaacute en circuito abierto y si fuese cero estariacuteamos en un
caso absurdo ya que seguacuten su definicioacuten una fuente de tensioacuten ideal no puede estar
en cortocircuito
Fuente de intensidad ideal aquella que proporciona una intensidad constante e
independiente de la carga que alimente Si la resistencia de carga es cero se diraacute que
la fuente estaacute en cortocircuito y si fuese infinita estariacuteamos en un caso absurdo ya
que seguacuten su definicioacuten una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito
abierto
Fig 28 Fuente Eleacutectrica
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
25
228 VAacuteLVULAS TIPO DIAFRAGMA (servo vaacutelvula)
Este tipo de vaacutelvulas (ver figura 29) se presta admirablemente para control de
productos como pulpa de papel lechadas quiacutemicas tintes y aacutecidos El diafragma se
asienta en el puente o vertedero de la vaacutelvula y obtiene un cierre hermeacutetico El
cuerpo presenta poca resistencia al flujo y evita la acumulacioacuten de materias en
suspensioacuten en el puente
En eacutesta vaacutelvula el obturador es una membrana flexible que a traveacutes de un vaacutestago
unido a un servomotor (actuador) es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando
asiacute el paso del fluido
La vaacutelvula no viene con empaques en su construccioacuten regular pero un empaque de
seguridad puede ser suministrado de ser necesario La vaacutelvula se caracteriza porque
el cuerpo puede revestirse faacutecilmente de goma o de plaacutestico para trabajar con fluidos
agresivos
Se utiliza para tratamientos de aguas para el control de fluidos corrosivos o
teniendo soacutelidos en suspensioacuten ya que tiene un diafragma entre el cuerpo y el
bonete
Vaacutelvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de
apertura que se encuentre
Fig 29 Vaacutelvula diafragma
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
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Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
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Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
26
23 MODULO DE ADQUISICIOacuteN
Fig 210 Modulo Das-8000
Es un moacutedulo de adquisicioacuten de datos de sentildeales analoacutegicas y digitales que puede
funcionar de forma autoacutenoma o supervisada desde un sistema inteligente (PC) ver
figura 210 Los datos pueden ser visualizados en el propio instrumento o desde otro
modulo o desde la PC
Admite hasta 8 entradas analoacutegicas configurables en PT-100 0420 mA 01050
mV
8 tipos distintos de termopares provenientes de convertidores 420 mA lineal
izadas (T J K E N S R y B)
Dispone de 8 entradas digitales y 8 salidas digitales
0 Entrada lineal (10-50 mV o 4-20 mA)
1 Entrada Pt 100 seguacuten norma sIEC-751 (DIN-43760)
2 Entrada lineal (0-20 mA O 0-50 mV)
3 Entrada termopar tipo T (Cu ndash Const)
4 Entrada termopar tipo J ( Fe ndash Const)
5 Entrada termopar tipo K (NiCr ndash NiAl)
6 Entrada termopar tipo E (NiCr ndash Const)
7 Entrada termopar tipo N (NiCrSi ndash NiSi)
8 Entrada termopar tipo S (PtRh 10 - Pt)
9 Entrada termopar tipo R (PtRh 13 - Pt)
A Entrada termopar tipo B (PtRh 30 - mTRH 6 )
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
27
B Curva de linealizacion configurable por el usuario
F Entrada inactiva (off)
Para la comunicacioacuten con el ordenador de supervisioacuten se dispone de 1 puerto
seleccionable RS-232 RS-485 (ver fig 211)
Fig 211 Seleccioacuten de Puertos
La comunicacioacuten en este moacutedulo se efectuacutea en norma RS-485 posibilitando la
conexioacuten de un maacuteximo de 32 instrumentos en la misma liacutenea de comunicacioacuten (ver
fig 212) y en norma RS-232 (fig 214) Tambieacuten dispone de otro canal 232
especiacutefico para conectar una impresora serie
FIG 212 Conexioacuten de una red DAS ndash 8000 en RS -485
RS-232 RS-485
1 32
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
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Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
28
FIG 213 Conexioacuten de una red DAS-8000 en RS-485 sin PC
FIG 214 Conexioacuten DAS-8000 en RS-232
La gestioacuten de datos y medidas adquiridas por los moacutedulos utiliza el software
PROASIS DAS WIN que es una aplicacioacuten SCADA bajo entorno Windows
formado por una serie de programas de supervisioacuten y control para procesos
industriales
231 DIAGRAMA DE CONEXIONES
FIG 215 Tipos de conexiones
DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000 DASH-8000
RS-232
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
29
232 CONEXIOacuteN DE ENTRADAS ANALOacuteGICAS
Separar fiacutesicamente en todo el recorrido las liacuteneas de sentildeal (Pt-100 mAmV) de las
liacuteneas de potencia o de mando de releacutes contactores servos actuadores etc
Para grandes longitudes de liacuteneas de sentildeal utilizar cables con hilos trenzados y
apantallados
233 CARACTERIacuteSTICAS DE CONEXIOacuteN
Entradas PT-100 Usar cable de cobre de 3 hilos
Entradas mV Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
respetando polaridad
Entradas mA Usar cable de cobre de 15 mm2 de seccioacuten como miacutenimo
Respetando la polaridad y antildeadir en paralelo con los bornes de entrada una
resistencia en paralelo de 25 ohms
234 COMUNICACIOacuteN SERIE DIGITAL
La conexioacuten de las comunicaciones debe efectuarse exclusivamente con cable
trenzado y apantallado El blindaje debe ser conectado a tierra
235 DESCRIPCIOacuteN FRONTAL
1 Indicador Principal Presenta el valor de la medida mensajes y variables de
configuracioacuten
2 Presenta el nuacutemero de canal que se estaacute visualizando numero de modulo y
mensaje de configuracioacuten
3 indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las entradas digitales (iluminado-on)
4 Indicacioacuten de activacioacuten o desactivacioacuten de las alarmas (iluminado on)
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
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Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
30
Fig 216 Indicador Principal
Menuacute de visualizacioacuten es el menuacute principal de operacioacuten (Fig 216) y el que se usa
de un modo comuacuten o convencional con el se accede al menuacute de las conexiones
analoacutegicas contadores y la modificacioacuten de paraacutemetros de la alarma
Menuacute de configuracioacuten este menuacute permite acceder a la parametrizacion y
configuracioacuten de todas las opciones con que dispone el modulo DAS-8000
24 PROASIS DAS WIN 30
Por medio de la PC y el moacutedulo de adquisicioacuten de datos se realiza una conexioacuten RS-
232 para verificar el funcionamiento del software PROASIS DAS WIN con la ayuda
del controlador y un arreglo de resistencias
Para poder realizar la conexioacuten entre la PC y el modulo el software tiene tres
diferentes aplicaciones
PROASIS DAS WIN 30
Aplicacioacuten para la supervisioacuten de los moacutedulos de adquisicioacuten de datos
PROASIS DAS WIN 30 configuraciones
En ella se realiza la configuracioacuten entre el modulo y la PC como
El puerto de comunicacioacuten que se habilitara dentro de la PC
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
31
La velocidad
El nuacutemero de ciclos
PROASIS DAS WIN sinoacutepticos
Permite generar sinoacutepticos graacuteficos registros de tendencias histoacutericos visualizar
medidas y estado de datos comandar salidas digitales de los moacutedulos DAS-8000 y
gestionar alarmas de proceso
Para establecer la conexioacuten entre el modulo y la PC se utiliza un arreglo de
resistencias en paralelo de 25 Ω conectadas en el moacutedulo de adquisicioacuten de datos en
los bornes de conexioacuten de las entradas analoacutegicas del canal 1 como se muestra en el
la figura 217
La conexioacuten entre el moacutedulo de adquisicioacuten de datos y el controlador se efectuacutea en
los bornes de conexioacuten del moacutedulo en la entrada de comunicacioacuten RS-232
Fig 217 Diagrama Fiacutesico
Al realizar la conexioacuten se supervisa el moacutedulo de adquisicioacuten de datos por medio de
la PC y el software (PROASIS DAS WIN) para poder obtener una serie de datos y
realizar una graacutefica que representa la variable a manipular figura 218
Fig 218 Conexioacuten de la PC y el Software
RS-232
Fuente
4-20 mA
32
El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
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convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
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flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
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35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
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la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
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Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
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Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
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Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
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error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
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Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
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1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
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Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
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Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
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La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
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Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
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El moacutedulo de adquisicioacuten de datos consta de un software y el hardware El
hardware es el modulo fiacutesicamente en donde se aprendioacute que el modulo nos permite
trabajar con sentildeales analoacutegicas y discretas admite 8 entradas analoacutegicas 8 entradas
discretas y 8 salidas analoacutegicas El modulo puede trabajar de dos diferentes formas
supervisado por una PC o de forma autoacutenoma Admite diferentes tipos de entradas
desde termopares Pt100 (RTD) estandarizadas de 4 a 20 mA
Su principal caracteriacutestica es que trabaja con dos diferentes protocolos de
comunicacioacuten el RS-232 y RS-485
Alguna de las caracteriacutesticas maacutes importantes del protocolo de comunicacioacuten RS-
232 son los siguientes
Su comunicacioacuten es de punto a punto
Trabaja a tres hilos
Pines de conexioacuten 23 y 5 para mandar y recibir datos y el pin 5 para la tierra
Trabaja con +- 16 V
Se utiliza para adquirir datos que provengan de distancias largas
Caracteriacutesticas del protocolo de comunicacioacuten RS-485
Su comunicacioacuten es multipuntos
Trabaja a dos hilos
Necesita un convertidor (gateway)
Trabaja con +- 18 V
Se utiliza para recoger datos de corta distancia
La segunda parte del moacutedulo es el software llamado PROASIS DAS WIN con el
cual podemos supervisar y gestionar los datos provenientes del moacutedulo de
adquisicioacuten el software que es una aplicacioacuten SCADA Supervisa y controla bajo
entorno Windows formado por una serie de programas de supervisioacuten y control
para procesos industriales
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
33
La suma de estas dos aplicaciones son muy importantes para los ingenieros en
control y automatizacioacuten es una muy buena herramienta en el control de los
procesos industriales ya que con ella podemos operar los datos obtenidos para
poder llegar a una mejor conclusioacuten del proceso que se esteacute controlando
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
34
25 CONTROL DE NIVEL
Para iniciar el control de nivel en el proceso la planta debe de arrancar tomando en
consideracioacuten el siguiente procedimiento Todo control de nivel tiene los objetivos
de mantener un nivel a cierta altura considerable en condiciones de almacenamiento
para un determinado volumen en el proceso
Para poder controlar el nivel se debe tener la seleccioacuten correcta de los instrumentos
de medicioacuten de nivel para ello tenemos que tener en cuenta estas caracteriacutesticas
Rango de medicioacuten
Tipo de fluido
Condiciones de operacioacuten
Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
Fig 219 Diagrama fiacutesico de las conexiones para el arranque del proceso
Se observoacute el funcionamiento de la planta sin controlador y por medio del moacutedulo
de adquisicioacuten de datos y la PC se verifico que el nivel del tanque fuera el mismo
que el del moacutedulo de adquisicioacuten de datos
El siguiente paso es iniciar el proceso pero con la ayuda del controlador para eso
debemos de tener los siguientes objetivos
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
35
Mantener a la planta en un nivel constante
Encontrar los paraacutemetros dinaacutemicos del proceso
Identificacioacuten parameacutetrica en ella se debe de efectuar o generar un cambio en la
entrada o cambio en escaloacuten para poder cambiar la salida y obtener una respuesta
del proceso
En los procesos del mundo real suelen ser no lineales variantes en el tiempo de
paraacutemetros concentrados y para generar un anaacutelisis para fines de control se debe
establecer como
Lineales que cumple con el teorema de superposicioacuten que la variable este
acompantildeada de una constante
Invariantes en el tiempo (paraacutemetros constantes) es aquel en el que sus paraacutemetros
no cambian con respecto al tiempo
De paraacutemetro concentrados (ec diferenciales ordinarias)
Para poder graficar y encontrar los paraacutemetros del proceso que en este caso son Τ
K To se debe de mantener al proceso en un estado estacionario para realizar esa
operacioacuten se requiere el siguiente procedimiento
1-Establecer el flujo maacuteximo a traveacutes de la vaacutelvula mecaacutenica v1 (25 LPM)
Nota en condiciones iniciales
Cerrar la vaacutelvula manual
Abrir la servo vaacutelvula a su valor maacuteximo 20 mA por medio de la fuente de (4-20
mA)
Energizar la bomba
Abrir la vaacutelvula manual hasta 25 LPM
2-Abrir la vaacutelvula manual de descarga v4 un 50
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
36
3-Regular v3 a traveacutes del controlador hasta lograr un nivel constante
4-Generar un cambio en escaloacuten de un 10 maacutes sobre la entrada
5-Graficar 2 min con referencia al reloj del software
6-Encontrar los paraacutemetros del proceso
Fig 220 Diagrama fiacutesico
Datos de operacioacuten
Flujo maacuteximo 30 lpm
Flujo de operacioacuten 21 lpm
Vaacutelvula activada Sol 3
Nivel inicial 58
Nivel final 86
Entrada De 21 a 22
Tiempo 736
Se tiene un proceso que despueacutes de efectuarle un cambio en escaloacuten de 10 a la
entrada muestra el siguiente comportamiento
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
37
Fig 221 Grafica Obtenida
OBTENCION DE LA RESPUESTA DE LA PLANTA EN LAZO
ABIERTO
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TIEMPO
NIV
EL
251 OBTENCION DE LA GANANCIA
sal(s) = __K__ = ___280__ FDT
ent(s) Τs + 1 832s + 1
Donde
K= ΔSAL = 86 ndash 58 = 28 = 280 mmlpm
ΔENT 22 - 21 1
Τ = 4165 =832
Ecuaciones
Nivel-Corriente
Y= mx + b
m= 16135 = 0118
20= 0118(135) + b
b= 407
Y= 0118 u + 407
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
38
(0118u)+407
sensor transductor NI
(0118u)+407
convertidor1 NI
(0187u)+075
convertidor IF
280
832s+1
Transfer FcnStep Scope2
PID
PID Controller
Corriente-Flujo
Y= mx + b
m= 316 = 0187
3= 0187(20) + b
b= -075
Y= 0187 u + 075
Fig 223 Diagrama de simulacioacuten
Se analiza a la planta desde su identificacioacuten parameacutetrica para asiacute poder tener un
amplio conocimiento de comportamiento dinaacutemico del proceso y poder proponer
un sistema de control para el proceso
Se verifica cual es mi variable manipulada y mi variable a controlar para aplicarle una
entrada en escaloacuten que en este caso fue de un 10 de su valor y observar el
comportamiento gracias a la graacutefica que obtuvimos despueacutes de estar supervisando
los datos con el moacutedulo de adquisicioacuten de datos das-8000
Con la graacutefica se obtuvo la ganancia el tiempo muerto y la funcioacuten de transferencia
de la planta
Respuesta obtenida en el proceso (figura 224) salvado en matlab y transfiriendo los
datos del diagrama de simulacioacuten en Simulink a una tabla de valores de Excel
save 9a3vxls isr ndashASCII
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
39
Curva de respuesta de la planta y de
la simulacioacuten
-05
0
05
1
15
2
25
3
35
4
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fig 224 Respuesta Obtenida
Al obtener estos datos se comparar o mejor dicho se valida los resultados obtenidos
en la respuesta de la planta y los obtenidos mediante la simulacioacuten con lo cual se
verifica que los dos meacutetodos son complementarios y se puede considerar como una
herramienta maacutes en cuanto a control de procesos se refiere por los datos obtenidos
anteriormente se puede iniciar la etapa del desarrollo del software para la
supervisioacuten y evaluacioacuten del sistema de control de nivel
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
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1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
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Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
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Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
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La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
40
3 PROTOCOLOS DE COMUNICACIOacuteN
31 INTRODUCCIOacuteN
Coloquialmente los protocolos son un conjunto de reglas de cortesiacutea entre personas
que les permite tener una relacioacuten social de manera formal siguiendo ciertos
patrones establecidos previamente por ejemplo el protocolo dice que la mesa es
presidida por la persona maacutes importante En esencia un protocolo es un conjunto
de reglamentos acerca de la formalidad o precedencia como por ejemplo un
protocolo militar o diplomaacutetico
Sin embargo en informaacutetica y telecomunicaciones un protocolo es una convencioacuten
o acuerdo entre partes que regulan la conexioacuten la comunicacioacuten y la transferencia
de datos entre dos sistemas de red Vieacutendolo de forma maacutes simple un protocolo se
puede definir como las reglas que gobiernan la semaacutentica (significado de lo que se
comunica) la sintaxis (forma en que se expresa) y la sincronizacioacuten (quieacuten y cuaacutendo
transmite) de la comunicacioacuten
En otras palabras dentro de una red de comunicacioacuten de datos en la cual se cuenta
con dos o maacutes perifeacutericos (pc‟s impresoras fax servidores etc) existe un protocolo
interno entre dichos perifeacutericos que les permite el intercambio de datos dentro de la
red Algunos autores definen los protocolos de comunicacioacuten como sigue
Un protocolo de red de comunicacioacuten de datos es un conjunto de reglas que
gobierna el intercambio ordenado de datos dentro de la red
Conjunto de reglas de comunicacioacuten que rigen el intercambio de informacioacuten entre
dos equipos o sistemas conectados entre siacute
Un Protocolo de Comunicacioacuten es el conjunto de reglas que especifican el
intercambio de mensajes durante la comunicacioacuten entre las entidades que forman
parte de una red
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
41
Los protocolos de comunicacioacuten son grupos de reglas que definen los
procedimientos convenciones y meacutetodos utilizados para transmitir datos entre dos
o maacutes dispositivos conectados a una red
Teniendo en cuenta las definiciones anteriores se entiende que un Protocolo de
comunicacioacuten de datos es el conjunto de procedimientos que contienen secuencias
precisas de caracteres para asegurar un intercambio ordenado de datos entre dos
unidades que conforman un sistema de red Los protocolos pueden estar
implementados en hardware (tarjetas de red) software (drivers) o una combinacioacuten
de ambos
Entieacutendase por transferencia de datos dentro de una red a la solicitud de un
dispositivo a otro que realice una instruccioacuten para que desempentildee cierta accioacuten y
una vez hecha indique al primer equipo que dicha instruccioacuten fue realizada y asiacute este
proceda a dar maacutes instrucciones
Tal como ocurre por ejemplo cuando por medio de una computadora se le da la
instruccioacuten a una impresora que imprima alguacuten documento con ciertas
caracteriacutesticas o propiedades de impresioacuten la impresora detecta la instruccioacuten y
comienza a imprimir con las propiedades que el usuario solicito en la instruccioacuten
Durante la accioacuten se despliega en pantalla un recuadro que muestra el estado de la
impresioacuten y en caso de existir alguacuten fallo o que no se pueda realizar dicha accioacuten
informa al usuario la situacioacuten o si la impresioacuten se llevoacute a cabo satisfactoriamente
32 MEacuteTODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los meacutetodos de transmisioacuten de datos describen coacutemo transmiten caracteres alfanumeacutericos
de datos las terminales operadas por humanos a las computadoras anfitrioacuten
Baacutesicamente soacutelo hay dos modos disponibles de transmisioacuten modo de caraacutecter y
modo de bloque
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
42
321 MODO DE CARAacuteCTER
Cuando se trabaja en el modo de caraacutecter los coacutedigos de caracteres se transmiten a
la computadora anfitrioacuten inmediatamente despueacutes de que un operador haya
oprimido una tecla El caraacutecter se manda desfasada (asiacutencronamente) porque las
transmisiones no estaacuten sincronizadas con la velocidad de tecleo del operador
Cuando un operador no estaacute tecleando la terminal estaacute en estado inactivo Los
caracteres de datos que se transmiten del anfitrioacuten a la terminal remota se muestran
en la pantalla en la posicioacuten actual del cursor
322 MODO DE BLOQUE
En el modo de bloque en transmisioacuten de datos los caracteres no se transmiten de
inmediato a medida que se teclean En lugar de ello el operador los teclea en su
terminal donde se almacenan en memorias buacutefer y se muestran en la pantalla
Cuando el operador estaacute listo para transmitir la informacioacuten que esta en la pantalla
oprime la tecla INTRO o enter que transmite todos los caracteres de datos que
halla en la terminal local como ocurre por ejemplo en un ldquoChat Boxrdquo Los caracteres
transmitidos en grupo se llaman bloque de datos El formato que se usa dentro del
bloque depende del protocolo seleccionado de sistema
La mayoriacutea de las terminales modernas e inteligentes son capaces de funcionar en
cualquiera de los dos modos bloque o caraacutecter El modo de transmisioacuten de caraacutecter
en maacutes comuacuten cuando las terminales se comunican en forma directa con la
computadora anfitrioacuten mediante una conexioacuten de comunicaciones directa como
por ejemplo liacuteneas telefoacutenicas de marcar El modo de transmisioacuten en bloque es maacutes
adecuado para circuitos de comunicaciones de datos con varias terminales que
funcionan en un ambiente de interrogacioacuten
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
43
Tx
Transmisor
Rx
Receptor
TxRx
TxRx
33 MODOS DE TRANSMISIOacuteN
Los sistemas electroacutenicos de comunicacioacuten se pueden disentildear para manejar la
transmisioacuten soacutelo en una direccioacuten en ambas direcciones soacutelo en una a la vez o en
ambas direcciones al mismo tiempo Existen cuatro modos de transmisioacuten posibles
siacutemplex (SX) half duplex (HDX) full duplex (FDX) y fullfull duplex (FFDX)
331 SIMPLEX (SX)
La transmisioacuten simplex se presenta en una direccioacuten solamente (unidireccional) lo
que deshabilita al receptor de responder al transmisor tal como ocurre en las
emisiones de ondas de radio o televisioacuten
SX
Fig 225 Transmisioacuten simplex
332 HALF DUPLEX (HDX)
La transmisioacuten half duplex se realiza en ambas direcciones pero no al mismo
tiempo Esta ocurre solamente en una direccioacuten a la vez Tanto el transmisor como
el receptor comparten una sola frecuencia Una estacioacuten puede ser transmisora y
receptora pero no al mismo tiempo como ocurre con los radios de banda civil y de
policial
HDX
Fig 226 Transmission Half Duplex
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
44
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
TxRx
333 FULL DUPLEX (FDX)
La transmisioacuten full duplex permite transmitir en ambas direcciones por el mismo
canal y al mismo tiempo Existe una frecuencia para transmitir y otra para recibir
Una estacioacuten puede transmitir y recibir en forma simultanea sin embargo la
estacioacuten a la que se transmite tambieacuten debe ser de la que se recibe como ocurre en
un sistema tiacutepico de telefoniacutea
FDX
Fig 227 Transmission Full Duplex
334 FULLFULL DUPLEX (FFDX)
Con esta operacioacuten es posible transmitir y recibir en forma simultanea pero no
necesariamente entre las dos mismas estaciones es decir una estacioacuten puede
transmitir a una segunda estacioacuten y recibir al mismo tiempo de una tercera Este tipo
de transmisioacuten se usa casi exclusivamente en circuitos de comunicacioacuten de datos
(redes)
FFDX FFDX
Fig 228 Transmission FullFull Duplex
La forma de transmitir informacioacuten dentro de un circuito de comunicacioacuten de datos
se da cuando una unidad decide transmitir en el momento la cual se le nombra
estacioacuten maestra y la unidad que recibe se nombra estacioacuten esclava En una red
centralizada existe una estacioacuten primaria la cual controla cuaacutendo puede trasmitir
cada estacioacuten que conforma la red Cuando transmite una estacioacuten secundaria se
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
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35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
45
convierte en estacioacuten maestra y la estacioacuten primaria es ahora la esclava El papel de
la estacioacuten maestra es temporal y la estacioacuten primaria determina cuaacutel es la estacioacuten
maestra
En un principio a la estacioacuten primaria se le considera maestra La primaria solicita
por turno a cada secundaria interrogaacutendola Una interrogacioacuten es una invitacioacuten de
la primera a la segunda para que transmita un mensaje Las estaciones secundarias
no pueden interrogar a una primaria sin embargo cuando una primaria interroga a
una secundaria inicia un cambio de direccioacuten de liacutenea la secundaria interrogada ha
sido designada como maestra y debe responder Si la estacioacuten primaria selecciona
una secundaria eacutesta se identifica como receptora Una seleccioacuten es una
interrogacioacuten por parte de la primaria o la segunda para determinar el estado de la
secundaria es decir lista o no lista para recibir un mensaje Las estaciones
secundarias no pueden seleccionar a la primaria Las transmisiones de la primaria
van a todas las secundarias y depende de las estaciones secundarias la
descodificacioacuten individual de cada transmisioacuten y la determinacioacuten de si es para ellas
Cuando una estacioacuten secundaria transmite solo manda a la estacioacuten primaria
De ahiacute la importancia de los protocolos en el flujo de informacioacuten dentro de la red
Todas las estaciones que conforman el sistema deben contener el mismo protocolo
para que exista un entendimiento al momento de intercambiar datos
En pocas palabras el protocolo de comunicacioacuten permite que las entidades que
forman la red ldquohablenrdquo el mismo idioma
Existe una gran cantidad de protocolos de campo diferentes en el mercado Algunos
de ellos son exclusivos de compantildeiacuteas que solo son compatibles con los productos
que eacutesta misma fabrica y se requiere adquirir una licencia especial para ser
utilizados Sin embargo hay otros protocolos que son maacutes abiertos al puacuteblico y de
mayor acceso para ser adquiridos Estos se pueden acoplar con una gran variedad de
dispositivos de distintos fabricantes e integrarlos faacutecilmente ya en conjunto a una
red de campo Hoy en diacutea la tendencia es utilizar protocolos abiertos por las
ventajas que ofrecen al interconectarse con distintos equipos lo que permite una
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
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la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
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Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
46
flexibilidad al momento de evaluar los costos de implantacioacuten y adaptaacutendose a las
necesidades requeridas
La caracteriacutestica principal que los protocolos de campo abiertos deben tener es la
posibilidad de implantarlos de forma segura con dispositivos de diferentes
fabricantes que cumplan con el protocolo y que dichos dispositivos funcionen
satisfactoriamente con el mismo protocolo Asiacute tambieacuten que alguacuten dispositivo
pueda ser reemplazado por otro equivalente de otro fabricante y funcione
adecuadamente con el protocolo que ya estaacute implantado en la red
Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicacioacuten que tienen un
gran impacto suelen convertirse en estaacutendares debido a que el intercambio de
informacioacuten es un factor fundamental en numerosos sistemas y para asegurar la
comunicacioacuten se vuelve necesario copiar el disentildeo y funcionamiento a partir del
ejemplo ya existente Esto ocurre de manera informal y deliberada Sin embargo
existen algunas empresas que proponen la estandarizacioacuten de los protocolos para
asegurar interoperabilidad de los productos
34 PROPIEDADES DE LOS PROTOCOLOS
Debido a la gran amplitud de campos que cubren tanto en propoacutesito como en
especificidad no es posible generalizar a los protocolos de comunicacioacuten de datos
No obstante la mayoriacutea de los protocolos especifican una o maacutes de las siguientes
propiedades
Deteccioacuten de la conexioacuten fiacutesica sobre la que se realiza la conexioacuten (cableada
o sin cables)
Pasos necesarios para comenzar a comunicarse (Handshaking)
Negociacioacuten de las caracteriacutesticas de la conexioacuten
Coacutemo se inicia y coacutemo termina un mensaje
Formato de los mensajes
Queacute hacer con los mensajes erroacuteneos o incorrectos (correccioacuten de errores)
Coacutemo detectar la peacuterdida inesperada de la conexioacuten y queacute hacer en ese caso
Terminacioacuten de la sesioacuten de conexioacuten
Estrategias para asegurar la seguridad (autentificacioacuten encriptacioacuten)
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
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Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
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1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
47
35 CLASIFICACIOacuteN DE LOS PROTOCOLOS
Los protocolos de enlace de datos se clasifican en general como asiacutencrono o
siacutencronos Por regla los protocolos asiacutencronos usan un formato de datos asiacutencronos
y moacutedems asiacutencronos mientras que los protocolos siacutencronos usan un formato de
datos siacutencronos y moacutedems siacutencronos
351 PROTOCOLOS ASIacuteNCRONOS
La transmisioacuten asiacutencrona se transmite o recibe a traveacutes de caracteres bit por bit
antildeadieacutendole bit de inicio y bit que indica el fin del paquete de datos El BIT de inicio
indica al dispositivo receptor que sigue un Terminal de datos y el bit de teacutermino
indica que el Terminal ha finalizado la transmisioacuten De esta manera se separan los
paquetes de datos que se enviacutean y se reciben y se sincronizan la unidad transmisora
y receptora para tales acciones La transmisioacuten asiacutencrona es menos compleja dado
que la informacioacuten de sincronizacioacuten forma parte de cada Terminal Con esta
transmisioacuten los caracteres pueden enviarse a intervalos variables o de forma
continua con la uacutenica condicioacuten de que el transmisor y el receptor emitan a la
misma velocidad
Los protocolos asiacutencronos estaacuten orientados a caracteres que son los caracteres
uacutenicos de control de enlace de datos como por ejemplo el fin de transmisioacuten (EOT)
e inicio de texto (STX) garantizan la misma accioacuten o hacen la misma funcioacuten sin
importar donde esteacuten durante la transmisioacuten En consecuencia se debe tener
cuidado para asegurar que las secuencias de bit para los caracteres de control de
enlace de datos no se presenten dentro de un mensaje a menos que sean para
ejecutar sus funciones asignadas de enlace de datos El uacutenico tipo de deteccioacuten de
errores que usan los protocolos asiacutencronos es la verificacioacuten de redundancia vertical
y para corregir errores se usan sustitucioacuten de siacutembolos y ARQ (retransmisioacuten)
En los protocolos asiacutencronos en general cada estacioacuten secundaria se limita a un solo
par TerminalImpresora A este arreglo de impresioacuten se le llama independiente Con la
configuracioacuten independiente todos los mensajes que se transmiten o se reciben en
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
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En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
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Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
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Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
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4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
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La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
48
la pantalla de la terminal tambieacuten se imprimen Asiacute la impresora genera una sola
copia en papel de todas las transmisiones Ademaacutes del modo de vigilancia de liacutenea
una estacioacuten remota puede estar en cualquier de los tres modos de operacioacuten
transmisioacuten recepcioacuten y local Desde luego que una estacioacuten secundaria esta en
modo de transmisioacuten siempre que haya sido designada maestra
La secuencia de interrogacioacuten en la mayoriacutea de los protocolos asiacutencronos es bastante
sencilla y suele consistir en mandar uno o dos caracteres de control de enlace de
datos despueacutes de una direccioacuten de interrogacioacuten de estacioacuten
Los protocolos de datos siacutencronos maacutes usados son el sistema de llamada selectiva de
Western Electric (8ordf18B1) y el protocolo de enlace de datos asiacutencronos de IBM (83B) En
esencia ambos protocolos contienen el mismo conjunto de procedimientos
352 PROTOCOLOS SIacuteNCRONOS
En el tipo de transmisioacuten siacutencrona se usa eacutel envioacute de un grupo de caracteres en un
flujo continuo de bits Para lograr la sincronizacioacuten de los dispositivos transmisor y
receptor ambos deben de proveer una sentildeal de reloj que establece la velocidad de
transmisioacuten de datos ademaacutes de habilitar los dispositivos conectados a los moacutedems
para identificar los caracteres apropiados mientras estos son transmitidos o
recibidos Antes de iniciar la comunicacioacuten ambos dispositivos deben establecer una
sincronizacioacuten entre ellos para esto antes de enviar los datos se enviacutea un grupo de
caracteres especiales de sincroniacutea una vez lograda la sincroniacutea se procede a
transmitir los datos
A diferencia de la transmisioacuten asiacutencrona la transmisioacuten siacutencrona no necesita
emplear bits de principio y final para delimitar cada uno de los caracteres lo que la
vuelve un tanto maacutes eficiente que la asiacutencrona pero requiere que se mantenga una
sincronizacioacuten entre transmisor y receptor para delimitar que grupos de bits
constituyen un terminal
49
Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
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desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
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Maestro Esclavo
En los protocolos siacutencronos una estacioacuten secundaria puede tener mas de erminal
impresora Al grupo de dispositivos se le llama unidad de asignacioacuten Una sola unidad
de control de liacutenea LCU puede dar servicio a un maacuteximo de 50 dispositivos
terminalimpresora Los protocolos siacutencronos estaacuten orientados a la transmisioacuten de
caracteres o bits El protocolo orientado a caracteres de uso maacutes frecuente es el BSC
o bisync (comunicaciones sincroniacuteas binarias 3270) de IBM y el de maacutes uso
orientado a bits BOP (bit-oriented protocol) en el SDLC (synchronous data link control)
tambieacuten de IBM
353 MODBUS
Modbus es un protocolo de comunicaciones basado en la arquitectura
maestroesclavo o clienteservidor disentildeado en 1979 por la compantildeiacutea Modicon
para su gama de controladores loacutegicos programables (PLCs) Con el paso del tiempo
se ha convertido en el protocolo de comunicaciones estaacutendar por excelencia En la
industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexioacuten de dispositivos
electroacutenicos industriales Modbus permite el control de una red de dispositivos
como ocurre en un sistema de medida de temperatura y humedad y comunicar los
resultados a una computadora Tambieacuten se usa para la conexioacuten de una
computadora de supervisioacuten con una unidad remota (RTU) en sistemas de
supervisioacuten y adquisicioacuten de datos (SCADA)
Fig 229 Protocolo Modbus
Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de
comunicaciones son es puacuteblico su implementacioacuten es faacutecil y requiere poco
desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
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Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
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1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
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En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
50
Maestro Esclavo
Este protocolo define una estructura de mensajes que los dispositivos reconocen y
les permite comunicarse dentro de la red Ademaacutes describe el proceso que usa un
controlador (maestro) para pedir acceso a otro dispositivo (esclavo) la forma de
responder a las peticiones de otros dispositivos y coacutemo se detectan y notifican los
errores Asiacute tambieacuten establece un formato comuacuten para la disposicioacuten y contenido de
los mensajes
Dentro de los dispositivos maestros maacutes comunes se encuentran los procesadores
centrales y los paneles de programacioacuten Algunos esclavos tiacutepicos son los PLC‟s y
los inversores o drivers
Durante la comunicacioacuten dentro de la red Modbus determina coacutemo el controlador
direccional a cada dispositivo o identifica un mensaje diseccionado a eacuteste por parte
del dispositivo esclavo Una vez identificado determinaraacute el tipo de accioacuten a tomar y
extraeraacute cualquier dato o informacioacuten contenida en el mensaje Si se requiere una
repuesta el controlador la construiraacute y la enviaraacute utilizando el mismo protocolo
Como se dijo anteriormente la comunicacioacuten dentro de las redes Modbus se realiza
por medio de la teacutecnica maestroesclavo en la cual soacutelo un dispositivo controlador
(maestro) puede iniciar la comunicacioacuten (peticiones) Los otros dispositivos (los
esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la
accioacuten solicitada en la peticioacuten
El maestro puede direccional esclavos individualmente o puede generar un mensaje
en modo de difusioacuten a todos los esclavos Los esclavos responden a las peticiones
que les son diseccionadas individualmente
Peticioacuten Instruccioacuten
Confirmacioacuten Respuesta
Fig 230 Protocolo Modbus
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
51
Modbus establece el formato para la peticioacuten del maestro colocando en ella la
direccioacuten del esclavo un coacutedigo de funcioacuten que define la accioacuten solicitada cualquier
dato que deba enviarse y un campo de comprobacioacuten de error La estructura del
mensaje de respuesta del esclavo estaacute tambieacuten definida por este protocolo Dicha
estructura contiene los campos confirmando de la accioacuten tomada cualquier dato
que haya de devolverse y un campo de comprobacioacuten de error Si el mensaje
recibido por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accioacuten
solicitada construiraacute un mensaje de error y lo enviaraacute como respuesta
Fig 231 Ciclo Peticioacuten-Respuesta
En lo referente al coacutedigo de funcioacuten en la peticioacuten el maestro indica al dispositivo
esclavo diseccionado el tipo de accioacuten a realizar Los bytes de datos contienen
cualquier informacioacuten adicional que el esclavo necesitaraacute para llevar a cabo la
funcioacuten El campo de datos debe contener la informacioacuten que indique al esclavo en
queacute registro debe comenzar y cuaacutentos han de leer El campo de comprobacioacuten de
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
52
error proporciona un meacutetodo para que el esclavo valide la integridad del contenido
del mensaje recibido
Si el esclavo responde de manera normal el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es una reacuteplica del coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten Los bytes de
datos contienen los datos recolectados por el esclavo tales como valores de
registros o estados Si ocurre un error el coacutedigo de funcioacuten contenido en la
respuesta es diferente al coacutedigo de funcioacuten enviado en la peticioacuten para indicar que
la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un coacutedigo que
describe el error El campo de comprobacioacuten de error permite al maestro confirmar
que los contenidos del mensaje son vaacutelidos
Modbus define dos modos de transmisioacuten RTU (Remote Terminal Unit) que es una
representacioacuten binaria compacta de los datos y ASCII (American Satandard Code
for Information Interchange) es una representacioacuten legible del protocolo pero
menos eficiente Ambas implementaciones del protocolo son del tipo serie Los
usuarios podraacuten (en ciertos equipos) seleccionar el modo deseado junto con los
paraacutemetros de comunicacioacuten del puerto serie (velocidad paridad etc) durante la
configuracioacuten de cada controlador El modo y los paraacutemetros serie deben ser los
mismos para todos los dispositivos conectados a una red Modbus La seleccioacuten de
cualquiera de los dos modos tiene que ver uacutenicamente con redes Modbus estaacutendar y
baacutesicamente se caracterizan por definir los bits contenidos en los campos del
mensaje transmitido en forma serie en esas redes y por determinar coacutemo debe ser
empaquetada y decodificada la informacioacuten en los campos del mensaje
355 MODO ASCII
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo ASCII cada mensaje se enviacutea como un caraacutecter ASCII estaacutendar (7 bits) La
principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un
segundo entre caracteres sin dar lugar a error
El formato para cada byte en modo ASCII es
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
53
Sistema de codificacioacuten Hexadecimal caracteres ASCII 0-9 A-F
Un caraacutecter hexadecimal contenido en
Cada caraacutecter ASCII del mensaje
Bits por bytes 1 bit de arranque
7 bits de datos el menos significativo se
enviacutea primero
1 bit para paridad Par o Impar ninguacuten bit
para No paridad
1 bit de paro si se usa paridad 2 bits si no
se usa paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Longitudinal
Redundante (LRC)
356 MODO RTU
Cuando los controladores se configuran para comunicar en una red Modbus usando
el modo RTU (Remote Terminal Unit) cada byte de 8 bits contiene dos diacutegitos
hexadecimales de 4 bits La principal ventaja de este modo es que permite mayor
densidad de caracteres mejorando el rendimiento con respecto al modo ASCII para
la misma velocidad Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo El
formato para cada byte en modo RTU es
Sistema de codificacioacuten Binario 8 bits hexadecimal 0-9 A-F
Dos diacutegitos hexadecimales contenidos en
Cada campo de 8 bits del mensaje
Bits por byte 1 bit de arranque
8 bits de datos el menos significativo se
Enviacutea primero
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
54
1 BIT para paridad Par o Impar ninguacuten
BIT para No paridad
Campo de Comprobacioacuten de error Comprobacioacuten Ciacuteclica
Redundante (CRC)
Un mensaje consiste en una secuencia de caracteres que puedan ser interpretados
por el receptor Esta secuencia de caracteres define la trama Para sincronizar la
trama los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido
entre caracteres recibidos Si se detecta un intervalo mayor que tres veces y media el
tiempo necesario para transmitir un caraacutecter el dispositivo receptor ignora la trama
y asume que el siguiente caraacutecter que recibiraacute seraacute una direccioacuten
El campo direccioacuten es el primero de la trama despueacutes del tiempo de sincronizacioacuten
Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje Cada dispositivo de la red debe
tener asignada una direccioacuten uacutenica diferente de cero Igualmente cuando un
dispositivo responde a un mensaje debe enviar en primer lugar su direccioacuten para
que el master reconozca la procedencia del mensaje
En cualquiera de los modos de transmisioacuten serie (ASCII o RTU) un mensaje
Modbus es situado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un
comienzo y un final conocidos Esto permite a los dispositivos receptores comenzar
en el arranque del mensaje leer la parte de la direccioacuten y determinar queacute dispositivo
es direccionado (o todos los dispositivos si es una difusioacuten direccioacuten cero) y conocer
cuaacutendo se ha completado el mensaje Mensajes parciales pueden ser detectados y
establecer errores como resultado
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia ciacuteclica
(CRC) mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia
longitudinal (LRC)
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
55
En la trama del modo ASCII los mensajes comienzan con un caraacutecter ( dos
puntos) que corresponde al ASCII 3A hex y terminan con un par de caracteres
(CRLF Retorno de Carro + Avance de Liacutenea) que corresponden al ASCII 0D hex
y 0A hex Los caracteres a transmitir permitidos para todos los demaacutes campos son
0-A A-F hexadecimal
Los dispositivos conectados monitorizan el bus de red continuamente para detectar
un caraacutecter bdquodos puntos‟ Cuando se recibe cada dispositivo decodifica el proacuteximo
campo (de direccioacuten) para enterarse si es el dispositivo direccionado Pueden haber
intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje Si transcurre
maacutes tiempo entre caracteres el dispositivo receptor asume que ha ocurrido un error
Fig 232 Trama de mensaje tiacutepica en modo ASCII
En la trama del modo RTU los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de
al menos 35 tiempos de caraacutecter Esto es mas faacutecilmente implementado como un
muacuteltiplo de tiempos de caraacutecter a la velocidad de transmisioacuten configurada en la red
(T1-T2-T3-T4) El primer campo transmitido es la direccioacuten del dispositivo
destinatario y los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-9 y
de A-F hexadecimal
ARRANQUE
DIRECCION
FUNCION
DATOS
COMPROBACION
LRC
FINAL
1 caraacutecter
( 2 puntos)
2 caracteres
2 caract
N caract
2 caracteres
2 caract
CRLF
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
56
Los dispositivos conectados en la red monitorizan el bus de red continuamente
incluso durante los intervalos silenciosos Cuando el primer campo (de direccioacuten) es
recibido cada dispositivo lo decodifica para enterarse si es el dispositivo
direccionado Siguiendo al uacuteltimo caraacutecter transmitido un intervalo de al menos 35
tiempos de caraacutecter sentildeala el final del mensaje y un nuevo mensaje puede comenzar
despueacutes de este intervalo
La trama completa debe ser transmitida en un flujo continuo Si un intervalo
silencioso de maacutes de 15 tiempos de caraacutecter tiene lugar antes de completar la trama
el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asume que el proacuteximo byte
seraacute el campo de direccioacuten de un nuevo mensaje De forma similar si un nuevo
mensaje comienza antes de que transcurran 35 tiempos de caraacutecter despueacutes de un
mensaje previo el dispositivo receptor lo consideraraacute una continuacioacuten del mensaje
previo Esto daraacute lugar a un error ya que el valor en el campo final CRC no seraacute
vaacutelido para el mensaje combinado
Fig 233 Trama de mensaje tiacutepica en modo RTU
Cada dispositivo de la red Modbus posee una direccioacuten uacutenica Cualquier dispositivo
puede enviar oacuterdenes aunque lo habitual es permitirlo soacutelo a un dispositivo
maestro Cada comando Modbus contiene la direccioacuten del dispositivo destinatario
de la orden Todos los dispositivos reciben la trama pero soacutelo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado Broadcast) Cada uno de los
mensajes incluye informacioacuten redundante que asegura su integridad en la recepcioacuten
START
ADDRESS
FUNCTION
DATA
CRC
CHECK
END
T1-T2-T3-T4
8 BITS
8 BITS
n x 8 BITS
16 BITS
T1-T2-T3-T4
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
57
Los comandos baacutesicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros
357 VARIACIONES
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estaacutendar oficial
Algunas de las variaciones maacutes habituales son
Tipos de Datos
o Coma Flotante IEEE
o entero 32 bits
o datos 8 bits
o tipos de datos mixtos
o campos de bits en enteros
o multiplicadores para cambio de datos ade entero 10 100 1000 256
Extensiones del Protocolo
o direcciones de esclavo de 16 bits
o Tamantildeo de datos de 32 bits (1 direccioacuten = 32 bits de datos
devueltos)
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
58
4 DESARROLLO DEL SOFTWARE
5 EVALUACION TECNICA Y ECONOMICA
El desarrollo del software basado en visual Basic ha diversificado su oferta de una
manera amplia dado que han aparecido numerosos estaacutendares para su
implementacioacuten industrial A pesar de tratarse de instrumentacioacuten virtual cada
programa suele estar impulsado por una necesidad diferente
Esta instrumentacioacuten virtual (desarrollo de software) debe ser de bajo costo y
tiempo real para permitir la transmisioacuten de las PC con el moacutedulo de adquisicioacuten de
datos y la interconexioacuten de los controladores con todos los dispositivos de entrada y
salida tener un bajo costo de instalacioacuten y de conexioacuten poder recuperarse
raacutepidamente de eventos anormales en la red
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
59
La principal ventaja que ofrece la instrumentacioacuten virtual con la tradicional y la que
lo hace maacutes atractivo a los usuarios es la reduccioacuten de costos El ahorro proviene
fundamentalmente en economiacutea y seguridad
En muchos procesos en donde se manejan liacutequidos contenidos en recipientes tal
como columnas de destilacioacuten hervidores evaporadores cristalizadores o tanques
mezcladores el nivel en particular de un liacutequido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operacioacuten de un proceso
Por ejemplo un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reaccioacuten
quiacutemica causando dantildeo al equipo o derramando un material costoso de la misma
forma un nivel muy bajo puede originar consecuencias desagradables
Ademaacutes de las condiciones anteriores existe una tendencia en procesos continuos
hacia la disminucioacuten en la capacidad de almacenamiento Esto reduce el costo inicial
del equipo pero tambieacuten acentuacutea la necesidad para controladores de nivel de
liacutequidos maacutes precisos y sensibles
Para el operador la informacioacuten de esta variable es vital en cuanto a
o La cantidad de materia prima disponible para el proceso
o Capacidad de almacenamiento disponible para el producto que se esta
elaborando
o Y la operacioacuten satisfactoria o peligrosa para el proceso
Comparacioacuten entre los instrumentos tradicionales y los virtuales
Instrumentacioacuten tradicional
o Definido por el proveedor
o Posee una funcioacuten especiacutefica lo que conduce a tener una baja capacidad de
interaccioacuten
o Se basa en el hardware
o El costo de adquisicioacuten es alto
o Tecnologiacutea base estable (ciclo de vida 5 a 10 antildeos)
o Miacutenima economiacutea de escala
o costo de desarrollo
o mantenimiento elevado
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
60
Instrumentacioacuten virtual
o Definida por el usuario
o Sistemas orientados a la aplicacioacuten con capacidad de de interactuar con
redes perifeacutericos y otras aplicaciones
o Se basa en el software
o Bajo costo reprogramadle
o Tecnologiacutea base en constante desarrollo (ciclo de vida 1 a2 antildeos)
o Maacutexima economiacutea de escala
o El uso del software minimiza los costos de desarrollo y mantenimiento
El costo de la implementacioacuten de esta investigacioacuten se representa en la siguiente
tabla
PARTIDA COSTO
programa y licencia de Visual Basic $15000
Computadora baacutesica (pc) $10000
Tarjeta de adquisicioacuten de datos $10000
Desarrollo del software (horas de
ingenieriacutea )
$35000
Costo total del proyecto $52000
Como resultado natural de la evolucioacuten en la tecnologiacutea de comunicaciones se tiene
el cambio en la instrumentacioacuten para las pruebas y medidas en el mercado de la
automatizacioacuten industrial con el fin de reducir costos sin necesidad de sacrificar
funcionamiento
6 CONCLUSIONES
Con la investigacioacuten realizada por nuestros medios y alcances se llega a concretar
que cada diacutea hay que estar actualizados con lo maacutes novedoso en la tecnologiacutea
El uso de la computadora y el software aplicado a la ingenieriacutea es solo un ejemplo
maacutes comuacuten para expresar el avance tecnoloacutegico en teacuterminos maacutes especiacuteficos a
nuestra carrera la llegada de la instrumentacioacuten virtual amplia la visioacuten del disentildeo
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
61
desde un simple proceso hasta la automatizacioacuten de una planta y sus procesos La
ayuda de este software disminuye en mucho los esfuerzos del hombre por alcanzar
lo propuesto
El auge de la instrumentacioacuten virtual ha dado lugar a una nueva forma de trabajo
donde todos los procesos buscan ligarse de una manera simultaacutenea
7 REFERENCIAS
Instrumentacioacuten Baacutesica Industrial
Juan Oliver Rosas
Ingenieriacutea de control moderna
4deg edicioacuten
Katsuhiko Ogata
Prentice Hall
Instrumentacioacuten industrial
4deg edicioacuten
Antonio Creus
Alfa Omega Marcombo
8 APENDICES
