Sistemas de Adquisición de Datos, Digitalización y Autómatas Programables: Componentes y Funcionamiento

Adquisición de Datos

La adquisición de datos es el proceso de recopilar información de señales físicas y convertirlas en un formato digital que pueda ser procesado por un ordenador. Los sistemas de adquisición de datos (SAD) son los encargados de realizar este proceso.

Estructuras de un SAD

Un SAD típico consta de los siguientes componentes:

• Sensores o transductores: Convierten las variables físicas (como temperatura, presión, etc.) en señales eléctricas.
• Multiplexor: Selecciona la señal de entrada que va a ser tratada.
• Amplificador de instrumentación: Amplifica la señal de entrada del SAD para alcanzar la máxima resolución.
• Muestreo y retención (S&H): Toma la muestra del canal seleccionado (sample) y la mantiene (hold) durante el tiempo que dura la conversión.
• Conversor Analógico-Digital (ADC): Representa el código digital de salida que representa el valor de la muestra adquirida.

Configuraciones de los SAD

Los SAD pueden ser monocanales o multicanales.

• Multicanales:
  • Con muestreo secuencial de canales.
  • Con muestreo simultáneo de canales.
  • Multicanal paralelo.

Parámetros Característicos de un SAD

• Número de canales: Depende del número de señales a adquirir.
• Exactitud de la conversión: Determinada por la calidad de los componentes (multiplexor, amplificador, S&H, ADC).
• Velocidad de muestreo: Especifica la velocidad a la que el SAD puede adquirir y almacenar muestras de las entradas.
• Tiempo de establecimiento: Del multiplexor, del amplificador, de adquisición del S&H y de conversión del ADC.

Clasificación y Conexión de los SAD

• Tarjeta de adquisición de datos: Utiliza un bus interno.
• Interfaces estándar para instrumentación: Utiliza un bus externo.

Dispositivos GPIB

El estándar GPIB (General Purpose Interface Bus) define un bus de comunicación para instrumentación. Los dispositivos GPIB pueden ser:

• Talker (habla, transmisor): Transmite datos a través del bus cuando se le direcciona. Solo puede haber un talker activo en el interface en cada momento.
• Listener (escucha, receptor): Recibe los datos a través del bus cuando se le direcciona. Puede haber hasta 14 listeners activos simultáneamente.
• Controller (controlador): Determina o especifica la función que va a realizar cada equipo (talker o listener) en una transferencia de información.

Digitalización

Conversión Digital-Analógico (DAC)

Un DAC es un dispositivo que recibe información digital en forma de una palabra de n-bits y la transforma en una señal analógica. La tensión o la intensidad de salida es proporcional a la combinación de 0 y 1 que tiene la entrada. Para calcular la tensión de salida, se divide la tensión de referencia (por ejemplo, 12V) entre el número de combinaciones posibles menos 1 (por ejemplo, para 4 bits, 15 combinaciones; para 3 bits, 7 combinaciones). La entrada corresponde a los números en binario.

Clasificación de los DAC

• En serie y paralelo.

El Chip DAC: Diagrama de Bloques Externos

• Entradas de control y ajuste: Permiten el control de los circuitos internos en los DAC más complejos.
• Vref: Controla el valor de la tensión o intensidad de salida junto al código digital de entrada.
• DGND y AGND: Son los terminales sobre los que se refieren los valores de la tensión de entrada (bits) y la tensión o corriente de salida (analógica).

El Chip DAC: Diagrama de Bloques Internos

• Interface digital: Adapta los niveles lógicos de las entradas a los niveles requeridos por los conmutadores electrónicos.
• Conmutadores electrónicos: Son controlados por el código digital de entrada y están en una u otra posición según el bit sea 0 o 1.
• Red resistiva de precisión: Realiza la suma ponderada de tensión o corriente en función del número y posición de los unos y ceros del código digital de entrada.
• Fuente de referencia: Establece el factor de escala en la conversión digital-analógica.

Tipos de DAC

• DAC con red R-2R en escalera: Utiliza una red resistiva constituida con resistencias de valor R y 2R.

• DAC con red R-2R invertido: Similar al anterior, pero los interruptores están por debajo de las resistencias.
• Otros tipos de DAC: Conversión indirecta o secuencial.

Conversión Analógico-Digital (ADC)

La conversión analógico-digital (ADC) es el proceso de obtener una representación digital de una magnitud analógica.

Funcionamiento de la Conversión ADC

• Muestreo: Se obtienen los valores instantáneos de la señal analógica. La frecuencia de muestreo debe ser, al menos, el doble de la frecuencia máxima de la señal que se va a digitalizar. El proceso inverso asegura la reconstrucción completa de la señal.
• Cuantificación: Se establece la correspondencia entre tramos de valores de la señal analógica y estados digitales posibles con n-bits. Se mide la señal de la muestra y se atribuye una amplitud por aproximación. Después se codifica para pasarla a binario. La señal digital es diferente de la analógica original, lo que se conoce como error de cuantificación, que se interpreta como un ruido.
• Codificación: Asigna valores numéricos binarios equivalentes a los valores de tensión de la señal analógica original.

Clasificación de los ADC

• Salida paralelo, serie, temporal.

Chip ADC de Salida Paralelo

Función de cada terminal:

• Tensión de alimentación, tensión de referencia, entrada analógica, salida digital, reloj, inicio/fin de conversión, terminales de control.

El Autómata Programable

Un autómata programable, también conocido como PLC (Programmable Logic Controller), es un dispositivo de control electrónico basado en un microprocesador y diseñado para el control en tiempo real de procesos secuenciales. Monitoriza las entradas procedentes de sensores externos, decide en base al programa de control y controla las salidas para automatizar el proceso.

Ventajas:

• Espacio reducido.
• Procesos variables.
• Procesos secuenciales que se repiten de manera cíclica.
• Procesos complejos donde se requiere capacidad de cálculo.

Componentes de un Autómata

• Externos: Estructura compacta o modular.
• Internos:
  • Fuente de alimentación: En los autómatas compactos, se incorpora en la CPU; en los modulares, la alimentación es externa (24V CC y capacidad de 24V CA).
  • Unidad Central de Procesos (CPU): Es el sistema inteligente del PLC. Toma decisiones, realiza todas las tareas de control, gestiona la información de sensores y controladores, y ejecuta funciones internas de vigilancia del funcionamiento.
  • Memoria: Zona específica de trabajo. Las principales son la memoria de programa, de datos y de sistema. Existen dos modos de funcionamiento: RUN (permite la ejecución del programa de usuario) y STOP (permite la transferencia y el almacenamiento del programa de usuario en la memoria de programa).
  • Sistema de entradas y salidas: Permite el intercambio continuo de información entre el equipo de control y el proceso. La información del proceso se llama entrada, y las acciones de control sobre la máquina se llaman salida. Dispositivos de entrada típicos son interruptores, pulsadores y sensores. Dispositivos de salida típicos son contactores, relés y arranques. El sistema E/S está formado por un conjunto de tarjetas con las siguientes funciones:
    • Conexión física de los elementos de E/S.
    • Adaptación de la tensión de trabajo.
    • Proporcionar una adecuada separación eléctrica entre los circuitos lógicos y de potencia.
  • Bus de datos, direcciones y control.
  • Interfaces de comunicación: Permiten la comunicación entre los autómatas y el exterior, facilitando la transferencia del programa de usuario al autómata y la comunicación entre varios autómatas para controlar el proceso. Diferentes grupos:
    • Unidad de programación integrada en el propio autómata.
    • Terminal de mando o consola.
    • Ordenador.

Funcionamiento de un Autómata Programable

En los autómatas programables, los circuitos lógicos se realizan mediante uniones físicas de componentes. La información que sale del proceso tiene lugar simultáneamente. Los estados de las variables se combinan entre sí y con las variables internas. El procesador ejecuta un cierto número de operaciones, llamadas instrucciones, que especifican las acciones a realizar en función del estado de las variables del sistema. Puede interpretar una sola instrucción en cada instante, pero a gran velocidad, lo que se conoce como tratamiento secuencial de la información. El funcionamiento es distinto al de otros programas ejecutables en ordenadores convencionales, que se ejecutan una sola vez desde el principio hasta el final. En cambio, el autómata está ejecutándose continuamente hasta que se interrumpe por una causa ajena.

Fases del ciclo de operación:

1. Adquisición de entradas.
2. Ejecución del programa.
3. Actualización de las salidas.