Carácterísticas estáticas y dinámicas de los sensores

Carácterísticas estáticas

Describen la actuación del sensor en régimen permanente, es decir, con cambios muy

Lentos de la variable a medir.

Campo de medida

Rango de valores de la magnitud de entrada comprendido

entre un máximo y un mínimo detectables por un sensor.

Resolución

Mínima diferencia entre dos valores próximos que el sensor es

capaz de distinguir.

Precisión

Máxima desviación entre la salida del sensor y el valor teórico que corresponda.

Linealidad

Existencia de una constante de proporcionalidad única entre la señal eléctrica de salida y la señal física de entrada.

Repetibilidad

Máxima desviación entre valores de salida de medidasrepetitivas.

Sensibilidad

Indica la variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada. 

Ruido

Perturbación aleatoria del sensor o del sistema de medida que produce

una desviación en la salida con respecto al valor teórico.

Histéresis

A igualdad de la magnitud de entrada, la salida depende de si dicha

entrada se alcanzó con cambios crecientes o decrecientes de la magnitud física

medida.

Carácterísticas dinámicas

Describen la actuación del sensor en régimen transitorio.

Velocidad de respuesta

Capacidad de un transductor para que la señal de

salida siga sin retraso las variaciones de la señal de entrada. Parámetros:

Tiempo de retardo

Tiempo desde la aplicación de la señal de entrada hasta

que la salida alcanza el 10% de su valor permanente.

Tiempo de subida

Tiempo desde que la salida alcanza el 10% de su valor

permanente hasta que llega por primera vez al 90%.

Tiempo de establecimiento al 99%

Tiempo desde la aplicación de la

entrada hasta que la salida alcanza el régimen permanente con un ±1%.

Constante de tiempo

Tiempo empleado para que la salida alcance el 63%

del valor en régimen permanente.

Respuesta frecuencial

Relación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una señal senoidal.

Estabilidad y derivas

Desviación de la salida al variar ciertos parámetros exteriores distintos de los que se pretende medir, tales como condiciones ambientales y alimentación eléctrica.

Sensores de proximidad, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

 Según el tipo de captador pueden ser: Detectores inductivos Detectores capacitivos Detectores ópticos Detectores ultrasónicos

Detectores inductivos:Sirven para detectar la proximidad de piezas metálicas en un rango de distancia que va desde 1 mm a 30 mm. Están formados por una bobina concéntrica que está conectada a un circuito oscilador L-C. La bobina que forma la cara sensible. Frente a un objeto metálico, la oscilación disminuye y conmuta la salida. Su campo de aplicación más importante es como interruptor de final de carrera. Algunas de sus carácterísticas son: – Ausencia de contacto con el objeto –robustez mecánica

Detectores capacitivos:Detectan materiales metálicos y no metálicos, en un rango de 3 mm a 20 mm. Su funcionamiento se basa en un oscilador L-C, cuyo condensador constituye la cara sensible. Cuando detecta un objeto, la capacidad aumenta conmutando la salida. Sus aplicaciones son -Detección de líquidos conductores o no conductores. – Detección de objetos metálicos. -Detección de sustancias en polvo o grano. Sus carácterísticas son: – Ausencia de contacto con el objeto. – Robustez mecánica. -Resistencia ante ambientes agresivos. – Resistencia a altas temperaturas. – Bajo coste. – Su sensibilidad se ve afectada por el tipo de material a detectar y grado humedad ambienta

Detectores ópticos: Detectan todo tipo de objetos en un rango de 1 mm a 5 metros en modo reflexión (Cabezal con emisor de luz y fotocélula de detección) y 500 metros en modo barrera (Fuentes luminosas independientes del cabezal a detectar).

Principio de funcionamiento: EMISOR: Diodo electroluminiscente (LED) que emite haz de luz invisible o invisible (según longitud de onda). RECEPTOR: Fototransistor que recibe el haz, conmutando la salida según el sistema.

 Pueden ser de varios tipos: – Barrera. De largo alcance, precisos y fiables. – Réflex. Fáciles de instalar. -Réflex polarizado. Detección de objetos brillantes. – Proximidad. Detección de un solo lado.

Sus carácterísticas son: -Ausencia de contacto con el objeto. -Detección de objetos pequeños y muy pequeños. – Detección de móviles a gran velocidad. – Gran alcance (según modelo y sistema). – No influyen los campos electromagnéticos.

Detectores ultrasónicos:Detectan materiales líquidos, en polvo o sólidos. Detectan con facilidad objetos transparentes, como cristal o plástico. Su funcionamiento está basado en la emisión-recepción de ondas ultrasónicas determinando el tiempo entre la emisión de una señal y la recepción del eco. Cuando el objeto interrumpe el haz, el nivel de recepción varia, conmutando la salida. Sus aplicaciones son: -Control de niveles en tanques y depósitos. -Medida de distancias. -Detección de objetos transparentes. -No utilizables en ambientes con circulación violenta de aire o elevada contaminación acústica.

Sensores de posición, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

Podemos distinguir dos tipos: – Absolutos. Indican la posición respecto a un origen. –  Incrementales. Detectan desplazamientos y posición final por acumulación de estos respecto al origen.

Medidores de posición tipo Potenciómetros:El potenciómetro es un transductor de posición angular de tipo absoluto con salida analógica. El movimiento del eje arrastra un cursor provocando cambio de la resistencia eléctrica entre este y cualquiera de los extremos.

Medidores de posición tipo Encoders:Los encoders están formados por un rotor con uno o varios grupos de bandas opacas y translucidas alternadas y por una serie de captadores ópticos alojados en el estátor que detectan la presencia o no de banda opaca.

Incrementales: Dan un número determinado de impulsos por vuelta, requiriendo un contador para determinar la posición a partir de un origen de referencia. Una única banda de marcas transparentes/opacas, separadas una distancia fija llamada paso “p”. El estátor dispone de dos emisores-receptores ópticos decalados un número entero de pasos más ¼ de paso. Al girar el rotor cada par óptico genera una onda cuadrada, desfasadas ¼ de paso cuando gira en un sentido, y desfasadas ¾ de paso cuando gira en sentido contrario. Discriminándose así el sentido de giro.

 Absolutos: Disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario. Los captadores ópticos captan un código digital completo de la posición absoluta del rotorDisponen de varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas. De forma que en sentido radial el rotor queda dividido en una serie de sectores, con combinaciones de opacos/transparentes que siguen el código binario de Gray. El estátor dispone de un captador óptico por cada sector, dispuestos en forma radial. El código Gray tiene la ventaja que en cada cambio de posición sólo permuta un bit.

Sensores de pequeños desplazamientos, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

Se utilizan en la medición de pequeños desplazamientos, deformaciones, rugosidad y planitud de superficies, etc. Se emplean también unidos a sólidos deformables como transductores indirectos de esfuerzos (fuerza y par).

Tipos de medidores de pequeños desplazamientos: transformadores diferenciales.Galgas extensiométricas. -galgas de hilo

-galgas de semiconductor transductores piezoeléctricos. -medición de la carga de polarización -medición de la frecuencia de polarización.

Transformadores diferenciales: Dispone de un primario y de dos secundarios idénticos acoplados magnéticamente mediante un núcleo móvil. El núcleo se hace solidario al palpador o vástago que detecta el movimiento. En reposo el núcleo está centrado entre los dos secundarios, descentrándose al desplazarlo. Los dos secundarios se conectan en oposición, de forma que en la posición de reposo las tensiones de ambos secundarios que son iguales desfasadas 180º se anulan. Cuando el núcleo se desplaza, las tensiones dejan de ser iguales, cambiando también el desfase, dejando de ser 0 la resultante. El módulo y argumento de la tensión secundaria varía en función del desplazamiento.

Galgas extensiométricas:Basan su funcionamiento en la variación de la resistencia de un hilo conductor calibrado o, resistencias construidas a base de pistas semiconductoras. Se utilizan combinadas con muelles o piezas deformables para medir esfuerzos mecánicos. En reposo el núcleo está centrado entre los dos secundarios, descentrándose al desplazarlo.

Transductores Piezoeléctricos:La piezoelectricidad es un fenómeno que ocurre en determinados cristales (cuarzo, turmalina…) que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquieren una polarización eléctrica y aparecen una diferencia de potencial y carga eléctrica en su superficie. Esta propiedad se aprovecha para obtener sensores de deformación, o indirectamente fuerza, par o presión. El efecto se puede medir de dos formas: – Carga de polarización: Mediante un circuito eléctrico que proporcione una señal en función de la carga eléctrica. – Frecuencia de oscilación: Colocando el elemento en circuito con realimentación positiva. La capacidad y por lo tanto, la frecuencia de resonancia varía cuando el cristal se deforma.

Sensores de fuerza y par, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

La fuerza y el par se mide siempre indirectamente a través de sensores de pequeños desplazamientos como los que se han vistos anteriormente. Se colocan los sensores de pequeños desplazamientos sobre piezas elásticas diseñadas de forma que se obtiene una deformación proporcional al par o fuerza que se quiere medir.

Sensores de velocidad y aceleración, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

Se utilizan en aquellos sistemas que requieren de un control de la dinámica del mismo. Se dividen en dos grupos:

-Analógicos. Basados en dinamos tacometricas.Dinamo tacométrica Un generador de CC con excitación de imanes permanentes. La tensión generada depende de la velocidad

– Digitales. Basados en la detección de frecuencia de generador de pulsos.Generadores de impulsos Basados en la detección de frecuencia de generadores de impulsos a base de captadores ópticos o inductivos

Transductores de aceleración:Acelerómetros Puede obtenerse indirectamente como variación de la velocidad en el tiempo. Existen transductores directos basados en la medición de la fuerza de inercia de una masa conocida. El desplazamiento de la masa es leído por un sensor de desplazamiento tipo transformador diferencial, piezoeléctrico o galga extensiométrica.

Sensores de temperatura, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

Son sensores empleados para medir la temperatura. Según su principio de funcionamiento podemos distinguir tres grandes grupos:

Termostatos TON: Interruptores que conmutan a un cierto valor de temperatura, en general una cierta histéresis.Termostatos: Conmutan los contactos asociados al llegar a la temperatura de ajuste, pueden ser: – Bimetálicos: Conmutan por la diferencia de dilatación de dos metales. – Mercurios: Dilatación de líquidos. – Sensor analógico/digital: con comparador de histéresis.

Termoresistencia: sensores pasivos de tipo analógico basados en el cambio de resistividad eléctrica con la temperatura de algunos metales o semiconductores.Termoresistencias PT100: Sensor de temperatura consistente en un alambre de platino que a 0ºC tiene 100 ohmios de resistencia y que al aumentar la temperatura, aumenta su resistencia eléctrica con la temperatura Termoresistencia PTC y NTC: Las PTC (positive temperature coefficient) están fabricadas a base de óxidos de bario y titanio. Son poco linealesLas NTC (negative temperature coefficient) están fabricadas a base de óxidos de hierro, cromo, cobalto, manganeso y níquel.

Pirómetros de radiación: sensores analógicos utilizados para altas temperaturas basados en la radiación térmica emitida por los cuerpos calientesPirómetros de radiación: Sensor de temperatura que mide la radiación que emite un cuerpo caliente. Todos los cuerpos producen radiación térmica, aunque esta solo es visible para temperaturas por encima de 500 ºC.Conocida la geometría del cuerpo, se puede conocer su temperatura midiendo la potencia radiada. § La potencia emitida por los cuerpos reales es menor que la del cuerpo negro. Se relaciona mediante el coeficiente Ԑr. § Hay dos tipos de pirómetros: De banda ancha o radiación total: de banda estrecha o brillo.

Sensores de presión, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

Basan su funcionamiento en la deformación de un elemento elástico detectado por un transductor de pequeñas deformaciones, y en la conversión de estas a una señal eléctrica, proporcional a la presión. Lo más frecuente son los de diafragmas o membrana

Sensores de caudal, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

Transductores de caudal:Transductores que se basan en distintos principios de los fluidos, para convertir el caudal medido en una magnitud eléctrica proporcional.

Medidores por efecto venturi: Miden la diferencia de presión en dos puntos de una misma tubería, con distintas secciones calibradas, que determina el caudal en base a unas relaciones determinadas

Medidores por presión dinámica: Se basan en el desplazamiento de un pistón o flotador sometido a la presión dinámica de la corriente de fluidos. La medición del desplazamiento del pistón nos permite determinar la presión dinámica, con la presión dinámica se calcula la velocidad y el caudal.

Medidores por inducción: Se emplean en líquidos conductores y se basan en la Ley de Faraday. En el flujo del líquido se produce una fuerza electromotriz proporcional a la longitud del conductor, a su velocidad de desplazamiento y a la inducción del campo.

Medidores de presión volumétricos: Se emplean para medir el caudal de gases, usando sistemas que mantengan presión y temperaturas constantes, como el de disco oscilante o el de lóbulos.

Sensores de nivel, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

Se utilizan para conocer el estado de llenado de depósito de líquidos o sólidos en forma de grano. Hay dos métodos de detección de niveles:

Detección de varios niveles de referencia mediante varios sensores TON. Transductores todo o nada: Empleados en depósitos de los que se pretenden tener niveles fijos de referencia. Para líquidos es frecuente usar con flotadores con contacto en Mercurio, o si el líquido es conductor dos electrodos sumergidos. Para sólidos o líquidos no conductores suelen emplearse detectores capacitivos o fotoeléctricos.

Detección de tipo analógico, obteniendo una señal proporcional a nivel.Una de las formas de obtener una indicación analógica de nivel de líquidos consiste en medir la presión sobre el fondo del depósito que lo contiene. La diferencia de presiones entre el fondo y la superficie (Pf-Ps), es directamente proporcional al nivel respecto a dicho fondo y al peso específico del líquidoTransductores por flotador: Emplean un flotador solidario a un sistema de palancas y unido a un sensor de desplazamientos.

Contactores y relés, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones

Relés y Contactores: Equipo electromecánico de conexión, controlado mediante electroimán y con funcionamiento todo o nada. La diferencia entre un relé y un contactor es la potencia que es capaz de seccionar cada uno. Los contactores accionan grandes potencias (motores y equipos >1 kW), y los relés se utilizan como elementos auxiliares para accionar contactores u otros elementos de potencia, así como para hacer funciones lógicas sencillas.

Las carácterísticas más relevantes de relés y contactores son: -Tensión de mando. Tensión de alimentación de la bobina de mando. – Potencia de mando. Potencia necesaria para accionar la bobina de mando. -Tensión de aislamiento Ui. Tensión de prueba entre circuitos de mando y contacto. -Tensión de empleo Ue. Tensión de trabajo de los contactos de potencia. -Corriente térmica Ith. Corriente máxima que pueden soportar los contactos una vez cerrados sin sobrepasar los límites de calentamiento. No deben confundirse con la corriente de empleo. -Corriente de empleo Ie. Es la corriente que el dispositivo es capaz de accionar o interrumpir para cada tensión de empleo y con cargas resistivas. – Poder de corte. Se define por la corriente que el relé es capaz de accionar e interrumpir para cada tipo de carga y para un numero de maniobras determinado.

Actuadores neumáticos e hidráulicos, tipos, principios de funcionamiento y aplicaciones.

Válvulas de control Permiten establecer la conexión neumática o hidráulica de los elementos. Dos partes:

Elemento de mando: Eléctrico(a, b), Manual (c, d), Fluido (e, f). Permiten la conmutación. Dos tipos: Monoestables y biestables. Se encarga de conmutar la conexión hidráulica o neumática entre conductos del circuito de potencia.

 Circuito de potencia: Nº de posiciones y nº de vías. Las válvulas suelen clasificarse atendiendo al número de posiciones distintas que permiten el circuito de mando y al número de vías de entrada y/o de salida del circuito de potencia en cada posición.

Cilindros: Son accionamientos que permiten obtener un movimiento lineal aplicando una presión a un lado u otro del émbolo.

Cilindros de Simple Efecto: Permiten el accionamiento en un solo sentido y retornan automáticamente al origen por la acción de un muelle. Mando con válvulas de tres vías.

Cilindros de Doble Efecto: Permiten el accionamiento en ambos sentidos mediante potencia neumática o hidráulica. Mando con válvulas de cuatro vías

Ventajas e inconvenientes de las comunicaciones industriales

Resumen de las ventajas del uso de las comunicaciones industriales en los sistemas de automatización:

– Ahorro de costes Minimización del cableado Facilidad de instalación Reducción del tiempo de mantenimiento Simplificación de la arquitectura Añadir o quitar elementos en operación Ingeniería a distancia – Puesta en servicio más sencilla- Interfaces normalizadas

Sin embargo, hay que resaltar los siguientes inconvenientes:

Son más complejos. Necesidad de personal más cualificado.  Coste de la inversión inicial. Quipos de mantenimiento más sofisticados.Tiempos de respuesta ligeramente superiores.Gran número de estándares incompatibles entre sí. No se sabe qué estándar prevalecerá.Pueden llegar a ser obsoletos con el tiempo

Conceptos de comunicación

Vamos a establecer un vocabulario básico que nos permita tratar con propiedad el tema Información digital: Información de diversa índole (números, textos, imágenes, voz) codificada por medio de palabras formadas por 1 y 0. La longitud de la palabra y la interpretación de su significado depende del código empleado.

Comunicación digital: Se denomina comunicación digital a la técnica que permite el intercambio de información digital entre dos o más sistemas, generalmente basados en microprocesadores.

Código: Regla o convenio que permite una información digital. El elemento básico de un código es el carácter, que consiste en una palabra digital de n bits. Los códigos pueden ser numéricos o alfanuméricos. Los primeros interpretan la información digital como números mientras que los códigos alfanuméricos permiten representar los caracteres alfabéticos, numéricos y gráficos mediante palabras digitales. El código alfanumérico más conocido y empleado es el ASCII que se basa en caracteres de 8 bits.Datos y control: El enlace entre dos sistemas digitales requiere, en general, intercambiar dos tipos de informaciones:

A) Datos: información útil que se pretende intercambiar entre ambos sistemas

B) Control: Información adicional necesaria para facilitar la comunicación y/o la interpretación de los mensajes

Los caracteres de datos y de los de control suelen utilizar el mismo código, por lo que la interpretación de una información como una u otra cosa depende esencialmente del software. Terminal de datos (DTE): Equipo que dispone al menos de un canal para transmitir y/o recibir información digital Terminal de comunicaciones (DCE): Equipo previsto para transmitir y recibir información digital a distancia, por vía telefónica o vía radio. Generan una onda portadora modulada en frecuencia llamada Módem. Modulación y demodulación: Son técnicas empleadas en comunicaciones para transmitir señales analógicas o digitales a distancia, ya sea vía radio o a través de cables o fibra óptica. La modulación consiste en tomar una señal de alta frecuencia denominada portadora y variar alguna de sus carácterísticas en función de otra señal, llamada moduladora, de frecuencia más baja y que generalmente contiene la información a transmitir. La demodulación consiste en el proceso inverso. Modulación en frecuencia de señales digitales. Línea de comunicación: Este término se emplea para designar el medio físico de enlace entre dos terminales, sea vía radio, fibra óptica etc. BUS: Conjunto de conductores compartidos por dos o más sistemas digitales. La comunicación a través de los terminales conectados podrá enviar datos en un instante determinado.Comunicaciones paralelo / serie: La comunicación paralelo utiliza varias líneas de datos, otras líneas de control y una línea de cero o común, para el enlace entre dos o más sistemas digitales. Las señales esenciales suelen ser ocho líneas de datos y dos líneas de control. La comunicación serie suele utilizar dos o tres hilos. La información se transmite bit a bit, uno tras otro hasta completar un carácter.Conexión punto a punto: Conexión en la que intervienen solo dos terminales o sistemas digitales, uno a cada extremo de la línea de comunicación. Conexión multipunto: Conexión de más de dos terminales o sistemas digitales a través de una misma línea o bus. Enlace simple: Comunicación entre dos terminales, que permite solo flujo de datos en un sentidoEnlace Half Dúplex: Comunicación entre dos terminales, que permite flujo de datos en ambos sentidos, pero no simultáneamente. Enlace Full Dúplex: Comunicación entre dos terminales, que permite simultáneamente el flujo de datos en ambos sentidos Protocolo: La transmisión-recepción punto a punto o multipunto por una misma línea o bus requiere que solo uno de los terminales pueda transmitir en un instante dado y que al menos uno reciba la información. Al conjunto de reglas que permite saber en qué orden actuaran se denomina protocolo de comunicación. Red (de comunicación): Conjunto de terminales que pueden intercambiar información. LAN: Red de área local que comunica varios terminales, por lo general a corta distancia (1km). WAN: Red de área amplia, que comunica terminales alejados, generalmente a través de líneas telefónicas o enlaces de uso público.Nodo o estación: Terminal de enlace de una red, o punto de enlace de una red de rango inferior a una de rango superior. Banda base: Se denomina transmisión en banda base al modo de transmisión en el que a través del medio de comunicación utilizado sólo se transmite una señal de información en cada instante en uno o en ambos sentidos. La transmisión de información digital en banda base se puede realizar de dos formas:Transmisión directa en formato digital. – Transmisión mediante la modulación de alguno de los parámetros de una señal senoidal denominada portadora. Ejemplo, FSK “Frecuency Shift Keying”, modulación de frecuencia.Banda ancha: Cuando la señal que soporta la información (Baseband signal) modula una señal senoidal de elevada frecuencia se tiene un sistema de transmisión en banda ancha que se caracteriza por permitir la transmisión simultáneamente, a través de un único medio de transmisión, de varias señales digitales haciendo que cada una de ellas module un portadora senoidal de una frecuencia diferente (FDM, “Frecuency División Multiplexing”).

Topología de redes

En los niveles más bajos de cualquier red de comunicación, y en particular en las LAN, hay que distinguir dos aspectos: el medio de enlace físico (cables, fibra óptica, enlace de radio, etc …) y el conjunto de reglas que regulan el diálogo y el tráfico de datos en la misma. Se entiende por topología de una red la disposición física de los distintos terminales que la componen y la forma en que se encuentran enlazados por el medio físico. Así pues, la topología define la configuración de la red desde el punto de vista del nivel 1 del modelo OSI (ver apartado 4). Y entendemos por estructura lógica la que define el nivel 2 de OSI (ver apartado 4), es decir la estructura de enlace. Las topologías básicas en redes locales son tres: estrella, anillo y bus. Existen, sin embargo, algunas estructuras hibridas, generalmente en forma de árbol, cuyas ramificaciones parten de los nodos principales de una red con una de las estructuras básicas.

Estrella: nodo central, que sirve de punto de enlace con todos los nodos periféricos. Por el nodo central pasan todos los datos, incluso aquellos que se intercambian entre estaciones periféricas. Es frecuente, además, que la estación central esté configurada como maestra, por lo que deberá tener una potencia de procesamiento y de comunicación superior a las demás y, normalmente, centralizará las funciones de gestión, comunicación con operador y/o otros sistemas, concentrando periféricos compartidos por el resto de la red. La principal ventaja de la configuración en estrella es la facilidad de añadir nuevos periféricos y el hecho de que una avería en un nodo periférico solo afecta al tráfico con este. No obstante presenta varios inconvenientes: el primero y más importante es que cualquier fallo en el nodo central causa la parada total de la red. La fiabilidad del conjunto depende, pues, directamente de la estación central. La estructura lógica puede presentar también el inconveniente de mayores retardos y congestión a medida que aumenta el número de estaciones soportadas por el nodo central. Todo ello hace que actualmente sea una topología poco utilizada en grandes redes

Anillo

:En esta topología las estaciones están conectadas en forma de un lazo cerrado. Cada estación tiene conexión con otras dos y los datos circulan en una única dirección, de forma que cada estación recoge los datos de la anteriores, comprueba si es ella la destinatario, en caso de no serlo, los retransmite a la siguiente estación. El control de la red puede ser centralizado o distribuido, pero se obtienen ventajas con un control distribuido, ya que se elimina la dependencia de una sola estación. Dado que la información circula por todas las estaciones sucesivamente, la fiabilidad y velocidad de la red queda condicionada por la peor de las estaciones que la forman y la interrupción de una de las estaciones interrumpe totalmente la red. Para paliar estos problemas en redes locales y en caso de un control distribuido, se puede prever el “bypass” de la estación defectuosa, ya sea en forma manual o automática. Una red de anillo puede en principio crecer indefinidamente, aunque la inclusión de cada nueva estación provoca una pérdida de velocidad, debida al retraso adicional que esta introduce. Este hecho puede llegar a afectar al funcionamiento del conjunto.

Bus:En esta topología las estaciones están unidas entre sí a través de unas líneas comunes compartidas por todos los nodos. Esta disposición física plantea un problema lógico, puesto que el bus es único y solo uno de los terminales podrá ocuparlo para transmitir. En consecuencia, el acceso al medio físico debe ser controlado por algún método lógico (MAC – media access control, ver apartado 6.1.). La configuración en bus es la más utilizada en redes de autómatas y ofrece la máxima fiabilidad y flexibilidad en cuanto a añadir o eliminar nuevos terminales. En la práctica esto puede no ser del todo cierto si la estructura lógica confiere alguna prioridad a alguna de las estaciones en el control del bus. Sin embargo, puede hacerse que todos los terminales tengan idéntica prioridad y prestaciones, con lo que este sistema adquiere la máxima flexibilidad. La capacidad del bus en cuanto a máximo número de estaciones depende del medio físico. A partir de un cierto número será necesario incluir amplificadores que mantengan el nivel de las señales en el bus.

Nivel físico de la red

Lo que entendemos por medio físico consta del conjunto de elementos de hardware destinados a transmitir las señales eléctricas u ópticas entre los diversos nodos de una red. En el caso de las redes de comunicaciones industriales forman su medio físico dos grupos:

– Los medios físicos de uníón, pueden ser de tres tipos: cables eléctricos, fibra óptica y enlaces vía radio. Pueden ser de diversos tipos, dependiendo de la frecuencia de las señales, de la distancia y del número de canales a transmitir. Cabe distinguir dos tipos de enlace: banda base y banda ancha. – Las interfaces son dispositivos con diversas funciones, tales como amplificación o repetidores de señal, pasarelas, concentradores o Hubs, enrutadores o Routers.

Las señales eléctricas portadoras de información constituyen radiaciones u ondas electromagnéticas que deben propagarse a través de un medio físico que enlaza el transmisor con el receptor. Estos medios físicos los podemos clasificar en dos tipos:- Medios .Los medios guiados son aquellos en los que las señales eléctricas se transmiten a través de una regíón del espacio perfectamente delimitada. Los más importantes son los conductores eléctricos (pares tranzados y cables coaxiales) y la fibra óptica. – Medios no guiados. El medio no guiado por excelencia es la atmósfera y la transmisión realizada a través de él recibe el nombre de transmisión inalámbrica (Wireless transmission). El espectro de una señal de comunicación es la gama completa de frecuencias de señales senoidales que transmite el medio. La frecuencia de una señal senoidal es el número de veces que se repite la señal en la unidad de tiempo y se mide en ciclos por segundo o hercios (Hz). Se define la longitud de onda λ de una onda senoidal como el espacio que recorre en un tiempo igual a la duración de un período. Se obtiene mediante: ???? = ????/ ???? = ???? ∙ ???? Donde C es la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el vacío, que es igual a 300.000 km/s. Los principales parámetros que se deben tener en cuenta a la hora de seleccionar un medio de transmisión son:- La anchura de banda. La anchura de banda establece la gama de frecuencias de las señales senoidales que pueden transmitirse sin deformación o distorsión. La distorsión se produce en las señales compuestas que son suma de diferentes componentes senoidales que sufren un desfase y una atenuación – La atenuación. La atenuación de una señal es la disminución que se produce en su amplitud al desplazarse a lo largo del medio. Para evitar su efecto negativo es necesario utilizar amplificadores (repetidores) que devuelvan a la señal su amplitud original. – La influencia de interferencias electromagnéticas. Se definen las interferencias electromagnéticas como señales electromagnéticas generadas por fuentes no previstas que alteran la señal portadora de información. – El número de receptores. En los medios guiados para establecer conexión, la atenuación y la distorsión de la señal depende del número de receptores, y por lo tanto determina la máxima distancia de transmisión y la velocidad de la misma.

Cables
Hay dos grandes grupos: – Pares de conductores trenzados. – Cables coaxiales. El CCITT define varios tipos de pares simétricos y coaxiales apropiados para la transmisión a diversas frecuencias. Deben ser considerados para altas frecuencias como líneas de transmisión, con una inductancia y una capacidad distribuidas. La propagación de señales en una línea de transmisión obedece a ecuaciones de onda como hemos visto anteriormente, en vez de a las relaciones estudiadas en electrotecnia.La diferencia estriba en el hecho de que las longitudes de línea son mayores que la propia longitud de onda de la señal transmitida y en los puntos de discontinuidad pueden aparecer ondas reflejadas y ondas radiadas. Para una línea de transmisión sin perdidas, la tensión y la corriente a lo largo de toda la línea serian constantes. La corriente que circula por una línea de transmisión sin pérdidas está relacionada con la tensión aplicada por la llamada impedancia carácterística: ???? = √ ????/ ???? En el caso de que existan discontinuidades en la línea de transmisión se producirían ondas reflejadas que distorsionan la señal. Para evitarlo se debe colocar al final de la línea y en paralelo con el par de cables una resistencia de valor igual a Z, con lo cual la línea se comporta como indefinida. También en los empalmes puede ser útil colocar alguna resistencia. En cables coaxiales se suelen hacer unas marcas a múltiplos de la longitud de onda, de forma que los cortes y las terminaciones se deben hacer en estos puntos con lo cual se evitan al máximo las reflexiones y la radiación.

Enlaces de fibra óptica

 Una de las formas más eficientes de evitar las interferencias por ruido eléctrico en las comunicaciones consiste en emplear fibra óptica.Los cables de fibra óptica contienen varios conductores ópticos. Cada conductor suele tener una sección muy pequeña y estar formados por un núcleo de cuarzo o de material de plástico sintético. Los índices de refracción del núcleo suelen ser del orden de 1.5 lo cual indica que la velocidad de la luz en su interior es del orden de 200.000 km/s. Se excitan mediante diodos láser con luz en el espectro del infrarrojo. Al final de la línea se coloca otro diodo receptor que recompone las señales eléctricas.

 Presentan también una atenuación que depende de la longitud de onda. Dicha atenuación es del orden de 0,2 a 0,6 dB/km. Así pues, las distancias de enlace dependen del tipo de fibra empleado y de la calidad de los conectores. Para distancias cortas puede usarse cable de fibra óptica de tipo plástico, y para distancias largas cable de cuarzo.

Las principales carácterísticas de la fibra óptica son las siguientes:- Atenúa muy poco las señales, lo que hace que se puede utilizar en líneas de transmisión largas sin necesidad de amplificadores. – Es flexible y tiene un tamaño reducido, lo cual facilita su instalación.- Es muy estable frente a variaciones de las condiciones ambientales. – Posee un elevado ancho de banda, pudiendo transmitir a alta frecuencia y transmitir una gran cantidad de información. – Es inmune a las radiaciones electromagnéticas, por lo tanto es especialmente idónea para ser utilizada en ambientes con elevados niveles de ruido. – Tampoco emite radiaciones electromagnéticas- La distorsión de las señales es reducida.

 La fibra óptica puede funcionar en monomodo o en multimodo. La fibra monomodo tiene un núcleo de diámetro reducido y minimiza la distorsión y la atenuación de las señales. La fibra multimodo posee un núcleo de diámetro superior y es más fácil de acoplar a la fuente de luz, pero presenta mayor distorsión y atenuación.Dado que los sistemas electrónicos representan la información mediante señales eléctricas es necesario convertirlas en radiaciones ópticas mediante un diodo luminiscente conocido también como LED (Light Emitting Diode) o un diodo Láser (Light Amplification by Stimulated Enission of Radiation).

Codificación y sincronización de datos

Las comunicaciones vía serie se utilizan exclusivamente en las comunicaciones entre autómatas, entre estos y unidades terminales remotas y entre autómatas y ordenadores. Los buses paralelo quedan limitados a buses internos, comunicación con periféricos locales y algunos buses de instrumentación. El mensaje serie consiste en una secuencia de unos y ceros, codificados mediante niveles de tensión por flancos o por señales moduladas en frecuencia o en fase. Se debe realizar una operación intermedia de codificación, codificar consiste en pasar información binaria a información entregada al medio físico para su transmisión directamente o modulada. La comunicación digital se realiza siempre entre sistemas digitales síncronos en los que la duración de los bits está fijada por un generador de impulsos o reloj de una determinada frecuencia. La transmisión de la información en serie implica que los sucesivos bits estén separados solo por la variable tiempo. Para recomponer adecuadamente la información, el sistema receptor ha de ser capaz de determinar la duración de cada bit y de detectar el momento en el que se inicia la transmisión, lo cual implica la sincronización de los instantes en los que capta la información el receptor con los establecidos por el receptor.

Por lo tanto, esta transmisión deberá estar sincronizada a fin de que el receptor sepa cada bit y pueda extraer la información de la línea con la frecuencia adecuada, aun en el caso de que se repitan varios ceros o unos. Se deben resolver dos problemas básicos:- Codificación de Bits – Sincronización en sus tres aspectos: bits, caracteres y mensaje.

Enlaces estándar: Nivel físico

Nos ocuparemos de los enlaces más frecuentes en comunicación industriales en su aspecto físico, es decir, numero de señales y su función y los niveles de tensión. Atendiendo al número de líneas del medio físico podemos establecer una clasificación muy general en dos categorías: · Enlaces que contienen líneas de datos y líneas de control y eventualmente una línea de cero de señal. El caso más típico es el enlace RS-232. · Enlaces XON-XOFF en los que existe solo líneas de datos y a lo sumo una línea de cero de señal. Los casos más típicos son RS-422 y RS-485.

Arquitectura Hardware para sistemas de maquinas desatendidas

Nivel 1

– Elementos de campo: Sensores y actuadores. El nivel más bajo del sistema integrado de control está formado por el conjunto de sensores, interfaces con el usuario y actuadores de la planta. Permiten al sistema de control actuar sobre los servicios del buque (actuadores), e informan al sistema de control sobre el estado de la planta (sensores), permitiendo un control en lazo cerrado.- Unidades de interface E/S. Unidades de adquisición de datos, periferia descentralizada, concentradores de señal o RTU (remote terminal units). Los sensores y actuadores se conectan a las unidades de entrada / salida del sistema integrado de control. Dichas unidades se encuentran distribuidas estratégicamente a lo larga de la cámara de máquinas del buque, para concentrar por zonas las señales de sensores y actuadores. Estas unidades están formadas por bastidores remotos con tarjetas de entrada / salida, equipadas con procesadores de comunicaciones para comunicarse con los autómatas programables que ejecutan las tareas de control – Buses de campo de comunicaciones. Las unidades remotas de E/S, periferias descentralizadas o concentradoras de señales se comunican con los PLC de control mediante buses de campo de comunicaciones industriales. Como ejemplo podemos citar los buses de campo PROFIBUS, MODBUS o CANBus. Para el control de servicios esenciales hay que implementar buses redundantes. – Autómatas programables (PLC o API) y controladores. En los PLC residen los programas o software de control de los sistemas del buque. Se comunican mediante los buses de campo a través de procesadores de comunicaciones con las unidades de interface de E/S. Por otro lado, se conectan con las estaciones de trabajo de control del buque a través de la red LAN del sistema de control.

Nivel 2

– Redes locales de comunicaciones (LAN)

Redes de alto nivel, redundantes, que comunican los PLC con los ordenadores de control ubicados en la sala de control de máquinas, salda de control de carga y puente de gobierno. Se ha extendido el uso de redes ETHERNET. – Ordenadores con sistema SCADA e impresoras en consolas de control de máquinas y carga. Ordenadores en los que reside el programa SCADA que hacen de interface hombremáquina. Permiten a la tripulación, a través de mímicos que representan los distintos sistemas que controla el equipo de control del buque, operar de forma remota los sistemas controlados, así como establecer las funciones de control automáticas.

Nivel 3

– Sistema de extensión de alarmas. La cota de clasificación de máquina desatendida exige un sistema repetidor de alarmas en la zona de acomodación de la tripulación de máquinas. El sistema informa a los maquinistas de guardia de las alarmas que se producen en la maquinaria mientras ésta está desocupada. Este sistema está normalmente integrado en la red LAN del sistema de control. – Unidades de almacenamiento. Los sistemas de control del buque disponen de ordenadores dedicados al almacenamiento de los distintos eventos que se han ido produciendo en el buque.

Nivel 4

– Ordenador con sistema SCADA e impresoras en puente de gobierno.Con objeto de aportar redundancia al sistema de control, en el puente de gobierno se instala una estación de trabajo con el SCADA de control del buque, que permite el control remoto de los sistemas controlados desde el puente de gobierno. Aporta redundancia a las estaciones de control de cámara de máquinas y de la sala de control de carga.

CSMA/CD

Esta técnica es apta para topologías en bus y es descrita en IEEE-802.3. Una de las redes que utiliza esta técnica es las redes ETHERNET. Esta técnica funciona de forma que cuando una estación quiere transmitir, comprueba si el medio está ocupado, a base de detectar la existencia de datos de señal. Si el medio esta libre la estación se dispone a transmitir los datos tomando el control del bus hasta finalizar la transmisión. Si el medio está ocupado la estación seguirá haciendo intentos hasta que esté libre. Si dos estaciones intentan transmitir sus datos al mismo tiempo, se les obliga a esperar a cada una un tiempo aleatorio diferente para poder iniciar la transmisión. Esta técnica permite retirar o añadir una estación más sin necesidad de parar la red, pero al contrario que la anterior, no se podrá asegurar el tiempo determinado de transmisión de los datos, este dependerá del nivel de ocupación de la red.