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AS – Nodes and elements of AS – task2_1S – Nodes and elements of AS – task2_1

Sistemas automatizados

Módulo 2 – Nódulos y elementos de los Sistemas automatizados

Tarea 2.1: Elementos básicos de un AS.

Entradas, salidas y multiplexación de señales en un AS

AS – Nódulos y elementos de los AS – tarea2_1

AS – Nodes and elements of AS – task2_1S – Nodes and elements of AS – task2_1

Tema principales1. Elementos básicos de un AS y tipos de AS

2. Señales – tipos y procesamiento

3. Señales de entrada de tipo potencial o pulso; protección de los circuitos de entrada.

4. Multiplexación de señales. Sistemas de multiplexación.

5. Entrada de señales analógicas; multiplexación y conexión

6. Conexión de un ADC; papel de los filtros

7. Separación galvánica de los circuitos de entrada

8. Señales de salida – circuitos de salida


AS – Nodes and elements of AS – task2_1

Elementos de un AS

Los siguientes elementos son básicos en cada sistema automatizado: Fuente de energía Proceso Dispositivos de control (incluyendo dispositivos de impacto - actuadores) Realimentación (incluyendo sensores y sistema de medida) Ordenes programables (ver la figura inferior)

3AS – Nódulos y elementos de los AS – tarea2_1


Tipos de automatización

Estos son los principales tipos de automatización:

Producción de sistemas flexibles (FMS) – dispositivos de control numéricos, robots y sistemas automatizados para el procesado del material, y utilizados en la producción de varias máquinas.

Producción de ordenadores de ayuda – (CAM) – utilización de ordenadores en la planificación y el control de la producción. Incluye robots, dispositivos de control con ordenadores numéricos (CNC) etc.

Tecnología de la Información – IT – aquellos tipos de tecnología relacionada con los ordenadores, utilizadas para favorecer la producción.

Robots – realizan tareas, que deberían realizar las personas, tales como soldadura, pintura, ensayos, comprobaciones etc.

Dispositivos de control por ordenadores numéricos (CNC) – máquinas, programadas para realizar la producción de varios productos.

Producción integrada por ordenadores (CIM) – Inter-relación entre todas las operaciones de producción por medio de una red integrada de ordenadores cuyo objetivo es reducir los costes y la optimización.



Empresas, con un papel importante en la automatización

- RobotWorx- Yokogowa- National Instruments- Rockwell Automation- ABB- GE Fanuc- Honeywell etc.

La empresa National Instruments (NI) es destacada por su importante papel en la producción de módulos, sistemas y software tanto para la automatización industrial como para la automatización de investigacíones científicas y esta demostrado que toda su produccion y consecuente automatizacion esta precedidad por una intensiva investigación.



Principales tareas de los dispositivos de entrada y de salida

La interacción entre los sensores en la parte de la medición de un AS y los actuadores, que participan en su control, se realiza por medio de los apropiados dispositivos de entrada y salida. Debemos profundizar aqui en las tareas, realizadas por estos dispositivos, en sus tipos, y en los conceptos “Señales y sistemas”.

Las principales tareas de los dispositivos de I/O son:- Conversión de la señal analógica de entrada en digital, así como la señal de salida

digital en analógica (si fuera necesario) con la mínima distorsión de la información.

- Protección contra el ruido y otras perturbaciones;

- Protección contra fuentes eléctricas externas, sacudidas eléctricas, inclusión incorrecta.

Estas tares se solucionan como podemos ver a continuación:- Conversión – por medio de ADC y DAC

- Protección contra ruido, sobrecargas, sacudidas – por medio de circuitos especiales para la separación galvánica.



Matemáticamente se representan en forma de una función con una o más variables independientes.

Por ejemplo, la intensidad de blanco/negro en una señal de vídeo depende de las coordenadas x,y asi como del tiempo t f(x,y,t)

x(t)

t

Cómo son las señales representadas?



Ejemplo: Señales en un circuito eléctrico

Las señales vc y vs son ejemplos de esas señales, que varían con el tiempo

El voltaje de una resistencia y la corriente en el circuito son también señales similares.

i+-

vcvs

R

C)(

1)(

1)(

)()(

)()()(

tvRC

tvRCdt

tdvdt

tdvCti

R

tvtvti

scc

c

cs

• vs es una señal de nivel y para t=1 vs = 1

• vc es una señal exponencial de primer orden)

v s,

v c

t



Señales contínuas y discretas en el tiempo

Señales, contínuas en el tiempo (CT)

La mayoria de las señales en el mundo real son contínuas en el tiempo, ej. voltaje, presión, velocidad etc.

Se representan con x(t), donde el intervalo de tiempo puede ser finito o infinito.

Señales, discretas en el tiempo (DT)

Algunas señales del mundo real son de este tipo y pueden ser muestreadas (representadas por extractos periódicos), ej. Píxeles, costes diarios de produccion etc.

Se representan con x[n], donde n es un entero, que varía de forma discreta.

Una señal contínua muestreada x[n] =x(nk) – k

x(t)

t

x[n]

n



Qué es un sistema?

Sistema: combinación de objetos e interconexiones entre ellos, el cual es una entidad completa y que posee nuevas propiedades cualitativas, no caracterizadas por sus elementos constituyentes.

Los sistemas procesan las señales de entrada en orden de llegada para generar las señales de salida

Ejemplos:

- Un circuito eléctrico con un condensador es un sistema, que convierte (la señal) de voltaje procedente de la fuente en voltaje (señal) del condensador

- Un reproductor de CD es un sistema, que toma las señales del CD y las transforma en señales, que son transmitidas a los auriculares o altavoces

- El sistema de comunicación normalmente está compuesto por tres sub-sistemas: transmisor (expedidor), canal de transmisión y receptor. El canal normalmente disminuye el nivel de la señal, que debe ser procesada en el receptor.



La discretización en una dimensión x(t) con t = nT donde T es el periodo de discretización, produce (fragmentos) discretos x(nT). La discretización de señales de dos dimensionesof f(x, y) con x = nδx así como y = mδy produce los fragmentos f(nδx,mδy).

Discretizacion (muestreo)



Un diagrama simplificado de ”muestreo - mantenimiento”, produce fragmentos a partir de una señal de tiempo continuo (CT) se muestra a continuación.

Diagrama de Muestreo-mantenimiento

Interruptor electrónico



Como se ha mencionado anteriormente, por discretización de una señal de una dimensión

x(t) con t = nT donde T es el periodo de discretización, se producen los extractos x(nT). Por

discretización de una señal de dos dimensiones f(x, y) con x = nδx и y = mδy, se generan

los extractos f(nδx,mδy).

Si la frecuencia máxima del espectro de la señal, la cual ha sido discretizada y

reconstruida después, es W, y si la discretización se ha realizado a una frecuencia fs > 2W,

esta demostrado que la señal en el dominio del tiempo de la señal inicial puede ser

reconstruida con bastante precisión. Este teorema se denomina Teorema de Nyquist (y de

Shannon), y la frecuencia 2W se denomina frecuencia de muestreo de Nyquist.

Teorema de la discretización



Cuantificación

• Para introducir una señal CT en un ordenador, ha tenido que ser discretizada y cuantificada. La cuantificación es un proceso, de conversión de un extracto, cuya amplitud que estaba definida con una precisión infinita (muy alta virtualmente) en un número de precisión limitada.

• La función de transmisión del dispositivo de cuantificación se utiliza para cuantificar dispositivos con distinto nivel de precisión, definido por el número de bits del dispositivo de cuantificación.



Cuantificación (cont.)

• La diferencia entre la señal original y la señal cuantificada es el error de cuantificación, o el error de redondeo. El error de cuantificacion disminuye cuando el número de niveles de cuantificación (bits) aumenta.

• Los instrumentos, que realizan la cuantificación se denominan Convertidores de Analógico a Digital – ADC.



Señales de entrada de tipo potencial y de tipo pulso

Peculiaridades del pulso y de las señales de potencial:

- Dos fases – altobajo, encendidoapagado;

- Las señales de tipo potencial raramente se modifican y pueden ser detectadas por medio de la programación sin dispositivos adicionales;

- Las señales pulso varían más a menudo y es necesaria la utilización de disparadores y contadores para lograr su detección;

- Ejemplos de señales de potencial – sistema de alarma con sensores IR, control de parámetros, control del cerrado de puertas etc.

- Ejemplos de señales pulso – detectores para la radiación ionizada, tacogeneradores etc.



Protección de los circuitos de entrada – 1

а) Por separación galvánica para el voltaje DC con un optoacoplador

• La resistencia R1 limita la corriente que pasa por el diodo de luz del opto acoplador y, junto con el condensador C1 forma un filtro RC paso bajo para limitar las perturbaciones. El diodo zener VD2 define el umbral de cambio del diodo de luz del opto acoplador.

• El diodo LED, VD1, se utiliza para indicar la condición de entrada. El diodo VD3 protege al circuito del flujo inverso del voltaje de entrada.

• El trigger Schmitt genera frentes elevados de la señal de salida. Su histéresis protege de las múltiples conmutaciones incorrectas.


Señal TTL, formada por medio de un trigger Schmitt


b) Por separacion galvánica para voltaje AC


Este circuito se diferencia del circuito anterior por incluir un rectificador de onda completa (circuito puente) a la entrada y por la ausencia del diodo VD3

Las proximas transparencias muestran circuiteos reales y los resultados de su simulacion en Multisim y OrCAD.

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1/4 74LS14

Señal TTL, formada por medio de un trigger Schmitt




Circuito real para el voltaje AC (Multisim)



Protección de los circuitos de entrada– 4

Circuito real para el voltaje AC (OrCAD)




Resultados de la simulación

21AS – Nódulos y elementos de los AS – tarea2_1AS – Nódulos y elementos de los AS – tarea2_1



c) Por histéresis en el trigger de Schmitt si existen perturbaciones pulso

Dos umbrales se producen en la histéresis del trigger Schmitt – alto y bajo. Esto es útil para generar un solo pulso en vez de un elevado número de ellos cuando el pulso de entrada tiene una pendiente inclinada o perturbaciones en la forma de onda de la salida.




d) Por un retardo programado

En caso de cambiar un contacto, siempre existe un proceso de transición debido a la oscilación del contacto, el cual se disipa con el tiempo. El retardo esta programado, y se comporta como cierto tiempo muerto (tiempo insenible), durante el cual no se registra el estado del contacto.



Señales de entrada analógicas

Particularidades de las señales analógicass:

- Cambios suaves;

- A menudo son señales de voltaje que proceden de los sensores;

- Antes de introducirlas en un CS, tienen que convertirse en señales digitales.

Ejemplos:

- En un regulador automático de la temporatura – la salida del sensor;

- En un electrocardiograma o electroencefalograma;

- Desde fuentes de audio y señales de video

24AS – Nódulos y elementos de los AS – tarea2_1AS – Nódulos y elementos de los AS – tarea2_1


Multiplexación de señales. Tipos de multiplexación

La multiplexación es necesaria en los AS cuando tenemos como entradas señales, procedentes de un elevado número de sensores que serán todas tratadas por el sistema de control, así como cuando las señales son distribuidas a la salida a un amplio número de actuadores.

Multiplexación (conmutación, interruptor) en electrónica significa generalmente la conexión de una de las M posibles fuentes de señales (sensores etc.) a N posibles receptores (ver la fig.).

El intercambio de nodos denominado interruptores o multiplexores y los sistemas se denominan sistemas de multiplexación (MS)

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FUENTES

RECEPTORES



Conmutador (multiplexor)

Distribuidor(de-multiplexor)

Otros dos tipos de multiplexación

26

FUENTES

FUENTES

RECEPTORES

RECEPTORES



Características básicas de los multiplexores

Capacidad М – número de canales de entrada.

Tasa de acción V – número de canales, cambiados por unidad de tiempo. Se pueden distinguir:

- Vmax – representación máxima – a partir de los elementos de multiplexación.

- Vр – representación real en la AS dada, definida por el receptor, la fuente y el experimento de cada caso.

Número de líneas paralelas de multiplexación S;

Error (inexactitud) de los multiplexores. El error absoluto de un canal i-ésimo es I = Y - Xi. El error relativo del canal i-ésimo es:

Ximax es el mayor valor de la señal en la entrada e-ésima;.

Tiempo de cambio tn – duración del proceso de transición en el elemento de multiplexación, incluyendo el tiempo de la oscilación.

maxXi

i

maxXi

XiYi



Sistemas de multiplexacion de dos niveles

Ellos pueden estar compuestos de multiplexores analógicos de contacto o relé (CАМ) y multiplexores analógicos semiconductores (sin contacto) (SAM).

Existen multiplexores que se encuentran en el 1º nivel (М1L) y en el 2º nivel (М2L).

Una ventada de CАМ es la elevada tasa R0/R3, donde R0 – resistencia del elemento de

conmutación en estado abierto y R3 – en estado cerrado. Una desventaja es la baja

representación máxima (100-1000 conmutaciones por segundo.).

Los Ams de contacto de 1º nivel se utilizan con señales eléctrica débiles (décadas and cientos mV), mientras que los que no tienen contacto se utilizan señales fuertes por encima de 1V y cuando se requiere una determinada acción rápida. La multiplexación puede también realizarse por medio de la arbitrariedad de asignaciones sucesivas.

Si existe un AM de contacto tanto en 1st como 2nd nivel, entonces, este tipo de sistema de multiplexación se denomina sistema de multiplexación contacto – contacto (CCMS). Cuando hay un CAM en el 1º nivel, y existe un semiconductor AM en el 2º nivel, entonces el sistema se denomina sistema de multiplexación contacto – semiconductor (CSMS).

Existen más tipos de sistemas de multiplexación que los mencionados anteriormente.



Sistemas de multiplexación de dos niveles – diagrama de bloques

Para el primer nivel (М1L) se utilizan multiplexores analógicos, mientras que para el segundo (М2L) pueden conectarse (CАМ) o un multiplexor semiconductor analógico (SАМ)



Multiplexación de sistemas con amplificadores intermedios

Los amplificadores intermedios (IA) se utilizan para amplificar las señales débiles procedentes del primer nivel y despues de eso puede utilizarse un multiplexador analógico sin contacto



Sistemas de multiplexación con capacitores intercambiables

En algún instante de tiempo uno de los condensadores (por ejemplo, C1) se desconecta del sensor y se conecta a la entrada del amplificador de medición. De este modo, la conexión galvánica del amplificador con los sensores es desconectada y la interferencia del ruido se reduce.

31

Amplificador

SENSORES



Sistemas de multiplexacion con ADC y multiplexor digitales

Si es necesario un mayor nivel de precisión y un rendimiento, entonces solo se utilizaran en el primer nivel multiplexores analógicos, seguidos de ADCs. Las salidas digitales de todos los ADCs serán multiplexadas por medio de un multiplexor digital (DМUX). Este circuito también se utiliza con señales de tipo pulso o potencial.

32

Lógica de

control

al sistema DAQ



Sistema de multiplexación con amplificadores previos

Cuando se requiere un rendimiento elevado en el primer nivel del sistema de multiplexacion y las señales son débiles, entonces Ams sin contacto (semiconductores) son utilizados en el primer nivel y amplificadores previos (PA) son insertados en cada entrada.

Esto hace que el sistema de multiplexacion sea más caro pero permite utilizar un ADC común después del segundo nivel, reduciendo asi el coste del sistema.

33

Código digital



Sistemas de multiplexación combinados

En los AS se utilizan a menudo diferentes sensores como fuente de señales de varios tipos, magnitud y forma. Esto obliga a utilizar multiplexores de varios tipos para la multiplexación, algunos de estos combinados con amplificadores previos u otros dispositivos. En este caso el diagrama estructural se vuelve muy heterogéneo y contiene secciones con diferentes configuraciones. 34AS – Nódulos y elementos de los AS – tarea2_1


Ventajas de los sistemas de multiplexación de dos niveles

Mayor frecuencia de multiplexación fm;

Posibilidad de utilizar elementos de muliplexacion inercial sin reducir la frecuencia de multiplexación;

Apagado “mas profundo” (y más fiable) en caso de utilizar transistores de multiplexación;

Posibilidad de crear MS con un número elevado de sensores;

Posibilidad para realizar cambios flexibles de la estructura (incrementando o decrementando el número de multiplexores y sensores conectados);

Cambios arbitrarios de la capacidad M en caso de utilizar multiplexores con un grupo de conmutación.



Conmutacion y conversión de las señales analógicas – múltiples canales ADC

Las señales analógicas son almacenadas y amplificadas cuando los amplificadores

operacionales A las necesitan y a continuación transmitidas a la entrada del multiplexor

analógico AM.

La señal de entrada, seleccionada por el bloque de control, va hacia la salida del

multiplexor y es entonces transmitida a la entrada de la sección de muestreado/retención

(S/H). Con una orden del bloque de control el ADC se pone en funcionamiento. Conforme

transcurre el tiempo para la conversión, aparecen los datos numéricos correspondientes a

las magnitudes de la señal de entrada en la salida del ADC. 36AS – Nódulos y elementos de los AS – tarea2_1


Algoritmo de medición por medio de canales múltiples ADC

1. Elección de un canal de entrada;

2. El circuito S/H* esta en el estado de muestreo;

3. El circuito S/H* esta en el estado de retención;

4. COMIENZA la ADC;

5. Esperando la señal que indique el final de la conversión;

6. Leyendo el código de salida del ADC;

7. Guardando el código en el CS.

• * La finalidad del circuito SH (muestreo/retención) es: almacenar en la memoria el voltaje de entrada con una precisión mayor que la proporcionada por el ADC; para disponer de este voltaje en el momento de la conversión en el ADC.



Conexión de ADC con el CS por medio de una interfaz de conexión paralela (PIA)


AS – Nodes and elements of AS – task2_12/28

Multiplexación en telecomunicaciones*

Para hacer eficiente el uso de líneas de alta velocidad en telecomunicaciones, se utiliza algún tipo de multiplexación

La multiplexación permite que datos transmitidos desde distintas compartan el mismos medio de transmisión

Las líneas utilizadas para redes de trayectorias largas son fibras de alta capacidad, coaxial, o enlaces de microondas

Formas comunes de multiplexación son Multiplexación por división de frecuencias (FDM), Multiplexación por división del tiempo (TDM), and Multiplexación por división de la longitud de onda(WDM).

*Estos tipos de multiplexación se estudiaran en otros cursos



Errores de medición de los ADC

Para un ADC real deben añadirse tambien los siguientes:

Error procedente del ADC real;

Error procedente del AMUX; Error en los circuitos de S/H ;

Error procedente de la entrada A. Error de los ruidos de los amplificadores.

вхU

LSB2

1

Uâõ

UmaxUmax

2n

100%2n

50%

Error relativo con un ADC ideal:



Papel del filtro de entrada

En la entrada del ADC las frecuencias mayores que el doble de la frecuencia de discretización (de acuerdo don el teorema de Shannon ) no se deberían dejar pasar o:

- Todas las señales con frecuencias de 0 a Vmax deberían omitirse;

- Señales con frecuencia por encima de Vmax deberían pararse o ser suprimidas y señales con amplitud máxima deberían dejarse pasar con amplitud < ½ LSB;

- Se requiere una gran pendiente de la respuesta en frecuencia al final de la zona de admisión.

Respuesta en frecuencia del filtro



Separación galvánica de las señales analógicas de entrada

а) Por medio de un optoacoplador diferencial

El segundo diodo de luz depende inversamente de la sección, controlándola, con el fin de compensar las no-linealidades del opto acoplador. Una desventaja de esta solución es la elevada no-linealidad de la característica de transmisión.



Otros métodos de separación galvánica

b) Utilización de opto acopladores en modo lineal (ver los diagramas de las siguientes diapositivas);

c) Modulación de voltaje en HF por señales analógicas (PHM o PWM);

d) Por conversión de frecuencia intercalada ;

e) Separación en el nivel TTL de las señales después de la ADC;

f) Separación en el nivel de SPI (SPI – Interfaz Periférica en Serie).



Separación galvánica se señales analógicas de entrada - simulación

a) Por medio de un optoacoplador lineal (diagrama práctico en OrCAD)



Separación galvánica se señales analógicas de entrada - simulación (cont.)

Resultados de la simulación



Señales de salida de tipo potencial y pulso

Alta variabilidad es posible – ejemplos:- Empleando un contacto – por medio de un relé apropiado;

- Suministrar voltaje – desde el TTL a los niveles de voltaje necesarios;

- Suministrar corriente – desde el TTL a los niveles de corriente necesarios;

- Potenciando que los consumidores utilicen:

- Un voltaje DC – por un relé o un transistor como interruptor;

- Un voltaje de AC – por un relé o un tríodo para corriente alterna.



Circuito de salida con separación galvánica

En este caso es necesario proporcionar un voltaje Uop adicional para los circuitos externos

(voltaje operacional), separados galvánicamente del voltaje de +5 V suministrado por el CR .

R1 limita la corriente a través del diodo de luz del opto acoplador.

El fototransistor del opto acoplador PT, R3 y VT1 funciona de tal manera que cuando el

fototransistor está iluminado, entonces VT1 se abre. VT2 y R4 protegen el transistor de

salida VT1 del pequeño circuito de la salida.

VD3 y VD4 protegen los circuitos de salida de voltajes negativos, o voltajes mayores que

Uоp. El diodo de luz VD2 indica el estado de la salida.47



Circuito de salida con suministro independiente de los circuitos de control

Para proteger de las señales de salida falsa cuando un MP esta conectado, a menudo los circuitos débiles de control se separan con la potencia producida por el voltaje Upower. Se cambian por un sistema MP mediante la programación después de haber realizado los procedimientos y test previos.



Señales de salida analógicas por medio de un canal DAC múltiple

Opción а) Un sistema MP envía una señal digital al DAC separado. La señal analógica de las salidas del DAC se dirige los amplificadores apropiados. Inconveniente – elevar el coste debido al elevado número de DACs. Opción b) Un sistema MP envía una señal digital a un solo DAC y a través de el registrador transmite las señales correspondientes a los circuitos de Muestreo/Retención, dejándolos en el modo de muestreo por un período corto de tiempo a continuación en el modo de muestreo. Los filtros se conectan en las salidas. Inconveniente – se necesita programar un refresco periódico.

49

al sistema MP



Separación galvánica de las señales analógicas de salida

En el nivel de una señal analógica;

Por conversión frecuencial;

Por PWM;

En el nivel del TTL antes del DAC;

En el nivel del SPI (interfaz).


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