4 Tecnologías que Impactan el Futuro de la Adquisición de Datos

Por Ing, Gustavo Vázquez- National Insruments Mécicano y Centro America
InTech México Automatización,
Edición Abril – Junio  2006.

INTRODUCCIÓN

El proceso de “adquisición de datos” se puede definir como la recolección de información de forma automatizada de señales analógicas y digitales, y presentación de la misma en una forma que tenga sentido. Hoy en día, la adquisición de datos es un componente clave en diferentes industrias; por ejemplo, en una aplicación de tipo SCADA, es el proceso que permite realizar el monitoreo remoto de diferentes variables, como la presión, temperatura o flujo dentro de una caldera; en aplicaciones de pruebas en el área de manufactura, es el proceso de aplicar diferentes señales a un dispositivo, como un reproductor de DVDs, y medir la respuesta de sus componentes para verificar que funcione correctamente. Durante las últimas décadas, se ha visto un cambio en la forma en que los ingenieros y técnicos realizan adquisición de datos, principalmente impulsado por las diferentes necesidades y requerimientos de las aplicaciones de medición. A continuación se presentarán aquellas necesidades que han impulsado este cambio, así como las diferentes tecnologías que se pueden aprovechar para atacarlas.

ADQUISICIÓN DE DATOS: ANTES Y AHORA

Hace más de 100 años, el proceso de recolección de datos era completamente manual. Los ingenieros y científicos realizando experimentos en el laboratorio o los técnicos inspeccionando la línea de producción tomaban mediciones con “lápiz y papel”, confiando únicamente en su lectura visual y llevando un registro manual de las variables que querían monitorear y controlar. Conforme la tecnología ha evolucionado a lo largo de los años, serán desarrollado diversos sistemas de medición como registradores tipo plotters, data logres independientes, o sistemas de instrumentación automatizados por la Pe. Además, con una mayor adopción de las PCs, los sistemas de instrumentación basados en PC emergieron como una alternativa para aplicaciones que requieren de mediciones.

En un sistema de medición basado en PC, la combinación de software poderoso y fácil de usar con hardware modular y efectivo, en costo, permite realizar una tarea similar o superior a la de un instrumento tradicional. Esta gran diversidad de alternativas para tomar mediciones les da a los usuarios finales varias opciones para que seleccionen el sistema que mejor se ajusta a sus necesidades. Antes de seleccionar un sistema de medición, es necesario tener en cuenta que dependiendo de la industria en la que se trabaje, adquisición de datos significará algo diferente para los ingenieros: para alguien en el área de investigación y diseño, se refiere al proceso de recolectar datos del mundo real para validar un modelo, como el modelo del ECU (engine control unit) de un motor. Por otro lado, en empresas de manufactura, adquisición de datos involucra una mezcla de señales de alta velocidad y alta precisión, por ejemplo, para verificar los componentes electrónicos en un circuito impreso. Finalmente, en el área de control de procesos, adquisición de datos es la parte de un sistema SCADA que recolecta información de manera remota y confiable.
Al analizar cada uno de estos ejemplos, se puede apreciar que “adquisición de datos” como tal, abarca una amplia variedad de mercados y aplicaciones.

Debido a esto, los fabricantes de instrumentos han propuesto a lo largo de los años su propia arquitectura de medición para servir a algún nicho de mercado particular. Por ejemplo, una arquitectura desarrollada inicialmente hace 30 años es la de los multímetros digitales (DMMs), que se utilizan para registro de datos en general, sin embargo en ocasiones están limitados a señales estáticas o de muy baja velocidad. Otra alternativa han sido los PLCs, que por diseño están optimizados para trabajar con señales digitales de actuadores e interruptores, pero sus velocidades de muestreo están limitadas a aproximadamente 1,000 muestras por segundo.

Una tercera opción han sido los sistemas de instrumentación basados en PC, donde la combinación de hardware y software permiten la definición del sistema, sin embargo, en este caso la implementación final está definida típicamente por el usuario final y no por el fabricante. Como se ve, la mayoría de las soluciones de hardware atiende algunos de los requerimientos de las aplicaciones en adquisición de datos, pero fallan al intentar satisfacer el amplio rango de aplicaciones.

DEMANDAS Y REQUERIMIENTOS EN LA ADQUISICIÓN DE DATOS

Aunque se reconoce que existe una diversidad de aplicaciones que requieren del proceso de adquisición de datos, existen algunos factores comunes que son independientes de la industria.
Algunos ingenieros y científicos que en la actualidad construyen sistemas de medición sienten que las herramientas que hay en el mercado son suficientes para aquellas aplicaciones típicas de adquisición de datos; sin embargo, cuando requieren de mayor flexibilidad, estas herramientas ya no funcionan.

Figura 1. The typical PC – Based DAQ System

Para poder resolver estas tareas típicas en los sistemas de medición, así como aquellas ocasionales que requieren de flexibilidad adicional, existen siete requisitos que un sistema de adquisición de datos debería satisfacer:

  • Configuración y Conectividad Sencilla: Los usuarios no quieren perder mucho tiempo en la instalación y configuración de su sistema de medición Lo último que necesitan es involucrar a departamentos ajenos, como el departamento de Sistemas de la empresa, para que instale su dispositivo. La solicitud de una dirección IP o de permiso de administrador para una computadora toma tiempo y retrasa la implementación, ya que es necesario pasar a través de un proceso de aprobación.
  • Captura de Datos a Alta Velocidad y Sobremuestreo: Nunca habrá tal cosa como el exceso de información. Si el sistema permite al usuario tener más información que la requerida actualmente, es una buena opción mantener y almacenar estos datos, ya que se pueden utilizar para operaciones de análisis o de respaldo – Seguridad para el usuario y el sistema: El aislamiento es una característica muy importante en un sistema de medición, porque protege tanto al operador como al equipo de accidentes costoso.
  • Mezcla de Señal Dinámica y Extáticas: Un problema al que los ingenieros se enfrentan regularmente con las soluciones ya existentes en el mercado es que éstas están diseñadas únicamente para realizar mediciones de baja velocidad o para adquirir señales dinámicas, pero rara vez para ambas. Por (ejemplo, puede existir un sistema de medición que esté muy bien diseñado ‘para tomar señales de temperatura o presión, pero al momento que querer medir una señal de vibración para realizar mantenimiento predictivo, la solución sería adquirir un nuevo producto e integrarlo con el existente.
  • Habilidad para Agregar Otros Canales o Tipos de Medición: Esta necesidad está muy relacionada con la anterior. Los usuarios no solo quieren poder tener diferentes señales en el sistema, sino que además necesitan la flexibilidad para aumentar el número de canales dinámicamente para adaptarse a los requisitos de su aplicación.
  • Connectividad Simplificada a los Sensores y Señales: Una de las partes más costosas de un sistema de medición es el cableado y los paneles de conexión para los sensores y señales. En ocasiones, se requieren incluso de implementaciones a la medida de los paneles de conexión, lo que eleva el precio final del sistema.
  • Software Fácil de Usar con Capacidades Avanzadas de Análisis: Al final, un sistema de medición no está completo si no cuenta con una aplicación de software que permita realizar operaciones avanzadas como registro de da tos, generación de reportes o análisis de señales (matemático o estadístico).

 

TECNOLOGÍAS PARA ADQUISICIÓN DE DATOS

Desde el punto de vista del fabricante de instrumentos, una de las opciones para resolver estas diferentes necesidades es aprovechar las últimas tecnologías que están disponibles comercialmente. Esto debido a que hoy en día se puede encontrar en el mercado tecnología que serviría para resolver cada uno de los requisitos que se mencionaron previamente: uno de los retos para un fabricante de instrumentos no es desarrollar la tecnología, sino aprovechar aquella tecnología existente ya comprobada e integrarla para que resuelva estas necesidades.

Por ejemplo, con los más recientes buses de computadoras, como USB o PCI Express que cuentan con un gran ancho de banda y son completamente plug-and-play, se pueden resolver las necesidades de facilidad de configuración y sobremuestreo.

Existen 4 tecnologías clave que un sistema de medición debe de incluir en su proceso de adquisición de datos para poder satisfacer las demandas de los clientes: un bus de comunicación poderoso, componentes electrónicos avanzados, arquitectura de hardware flexible, y software poderoso y fácil de usar. Se explicará cada una de las siguientes tecnologías más a detalle:

Tecnología 1: Bus de Comunicación Poderoso

El propósito principal de un bus de comunicación es el enviar comandos y datos entre el dispositivo de medición   y una unidad central, como una PC, o entre diferentes dispositivos, como PLCs o tarjetas insertables. Existe una gran variedad de buses de comunicación disponibles: desde buses antiguos, como GPIB o serial (que tienen una velocidad máxima típica de 1.8 ME/s y 115200 kbps, respectivamente) hasta buses populares como USB y Ethernet, terminando con buses de muy alta velocidad como PCI y PXI Express.

En la gráfica, podemos ver cómo se comparan cada uno de los buses de acuerdo a su velocidad. Aún y cuando parecería que algunos buses son mejores que otros respecto a sus tasas de transferencia, que permitirían tener lecturas a muy alta velocidad, es importante entender que cada bus satisface una necesidad diferente dependiendo de la aplicación.

Hi-Speed USB (USB 2.0 de alta velocidad) es en la actualidad un bus muy rápido con velocidades de 480 Mbps y su conveniencia y facilidad de uso lo han hecho ideal para aplicaciones de investigación y diseño portátiles o en el laboratorio, además que lentamente ha crecido su adopción en la industria de pruebas y control.

Automatización Por otro lado, Ethernet es ampliamente utilizado para aplicaciones en plantas que requieren de entradas y salidas distribuidas y necesitan integrarse a sistemas empresariales. Otra alternativa, PCI y PXI Express, ofrece modularidad, un mayor ancho de banda y excelentes características de control de sincronización, lo que hace a estos buses idóneos para instrumentación de alta velocidad o aplicaciones de visión artificial.

Tecnología 2: Componentes Electrónicos Avanzados.

Al aprovechar los componentes electrónicos comerciales, como aisladores digitales o analógicos, los fabricantes pueden dar confiabilidad a sus sistemas y resolver la necesidad de la seguridad para el usuario. Mediante el uso de los convertidores A/ D comerciales, pueden incluir diferentes tipos de señales en un sólo sistema. El aislamiento juega un papel crítico en los sistemas de medición, especialmente cuando se está próximo a voltajes peligrosos, en ambientes ruidosos o industriales con la posibilidad de picos de voltaje, o en instalaciones donde haya peligro que las referencias a tierra estén flotadas. Con la tecnología actual, los fabricantes de dispositivos de medición pueden implementar acoplamiento de tipo óptico, capacitivo o inductivo.

Con acoplamiento inductivo es posible tener un transformador en un chip en tamaños de 3 décimas de milímetro. Al incluir esta tecnología en los productos de adquisición de datos, ha permitido a algunos fabricantes tener en su portafolio de productos soluciones de tamaño compacto, bajo consumo de energía y, por lo mismo, más económicos. Un convertidor A/D es el componente electrónico que convierte una señal analógica en una serie de valores digitales que un procesador puede entender. Tradicionalmente, estos componentes eran la parte más costosa en un dispositivo de adquisición de datos.

A lo largo de los últimos 15 años, los precios de estos A/Ds han bajado drásticamente, lo que permite a los fabricantes implementar nuevas arquitecturas en sus sistemas de medición. Por ejemplo, la tecnología de los DMMs, diseñada originalmente en las décadas de los 70s y 80s, consiste en un único A/D y varios relés electromecánicos a la entrada que conmutan entre las diferentes señales.

Sin embargo, estos relés son relativamente lentos y tienden a desgastarse con el tiempo. Al aprovechar los costos de los componentes electrónicos, ahora los fabricantes pueden implementar nuevas arquitecturas que cuentan con múltiples A/Ds en el mismo sistema de medición. Como consecuencia de esto, dentro de un sólo sistema se cuenta con son subsistemas para mediciones de alta velocidad, como aceleración o sonido, y subsistemas para mediciones de alta precisión, como temperatura de termopares.

Tecnología 3: Arquitectura Flexible de Hardware.

Debido a que en ocasiones los requerimientos de un sistema de medición tienden a evolucionar a través del tiempo o los usuarios no están seguros de cuál será la siguiente aplicación, se requiere de un sistema que no sólo satisfaga sus necesidades actuales, pero que además sea capaz de ajustarse a las futuras.

Esta flexibilidad está dada al ofrecer un sistema modular que sea capaz de crecer y adaptarse con el tiempo, de tal forma que el usuario final sólo necesite adquirir los módulos requeridos para la aplicación actual y, conforme sea necesario, adquirir más módulos para aumentar el número de señales a medir. Durante el proceso de instalación de un sistema de medición, una buena porción del tiempo se invierte en el cableado y conexión de los sensores.

Es muy común que se tenga que cablear a través de un panel de conexión, ya que los sistemas de medición en ocasiones sólo ofrecen terminales de tipo tornillo como interfaz al sensor. Para reducir este trabajo, los fabricantes ahora están ofreciendo mejores opciones al incorporar la conexión a los sensores directamente en los dispositivos de medición.

Tecnología 4: Software Poderoso.

un sistema de medición, no sólo es importante leer las señales a través del hardware sino además interpretarlas y analizarlas. La aplicación final tal vez requiere tener el registro histórico del comportamiento de una variable del proceso (por ejemplo, temperatura), o realizar análisis matemático en una señal (como un análisis de frecuencia para aplicaciones de mantenimiento predictivo). La manera más sencilla de automatizar esta parte del proceso de adquisición de datos es a través de software.

El software es una parte clave en un sistema de medición, ya que es la herramienta que permite interpretar y extraer información valiosa de los datos obtenidos. Dependiendo de las diferentes necesidades del usuario final, existen diferentes opciones de software disponibles en el mercado como plataformas para adquisición y análisis: desde herramientas basadas en ventanas de configuración, a programación basada en texto, a programación gráfica.

Al final, la selección será en base a la flexibilidad y facilidad de uso requerida. Como se puede apreciar, el mundo de la adquisición de datos es algo muy complejo: no sólo los sistemas a medir se han vuelto más elaborados, pero los usuarios finales están solicitando cada vez más canales y señales. Al aprovechar aquellas tecnologías que están comercialmente disponibles y aplicar su conocimiento vertical de la industria, los fabricantes de instrumentos ahora cuentan con las herramientas necesarias para brindarle soluciones flexibles y poderosas a sus clientes.

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