Uso del conjunto de características de alta fiabilidad de E/S digital NI para aplicaciones industriales

El aislamiento físico y eléctrico separa dos partes de un circuito y proporciona varias ventajas. Rompe los bucles de tierra, mejora la tensión de modo común y el rechazo de ruido, y permite que dos partes del circuito estén a diferentes niveles de tensión. El aislamiento también protege los circuitos informáticos. Las aplicaciones industriales a menudo requieren aislamiento para proteger la electrónica de picos de tensión transitorios y para proporcionar un mayor rechazo de ruido en modo común en entornos eléctricamente ruidosos que contienen maquinaria y cargas inductivas. En el caso de E/S aisladas de canal a canal, cada canal tiene su propio terminal de tierra. En dispositivos aislados de bancos, cada banco (o grupo) consiste en varios canales que comparten el mismo terreno pero están aislados de otros bancos.

Mezclador de pigmentos químicos

La mezcla química de pigmentos es un proceso que mezcla productos químicos inorgánicos para pigmentos y tintes. Una bomba de flujo de productos químicos y una válvula de control hidráulica regulan el caudal de los dos productos químicos que se utilizan. La bomba y la válvula tienen cada una su propia referencia a tierra, y la bomba está conectada a un interruptor de parada de emergencia que tiene la misma referencia a tierra. Además, las dos referencias a tierra difieren en 5 V.

En ausencia de aislamiento (véase la figura 1), los tres dispositivos deben estar conectados directamente entre sí, lo que da lugar a un bucle de tierra causado por la diferencia de tensión en las referencias a tierra.

Figura 1. Conexión no aislada

Este flujo de corriente puede causar daños a los circuitos de las bombas y válvulas. Además, pueden producirse lecturas incorrectas debido al aumento de la carga en las salidas de señal de los dispositivos. Con un producto digital aislado de banco (Figura 2), los dispositivos pueden operar con su propia referencia a tierra, incluso con la gran diferencia de voltaje.

Figura 2. Conexión aislada de banco

Ambientes industriales como este tienden a ser muy ruidosos eléctricamente. Algunos ejemplos de fuentes de ruido son cables de alimentación, motores eléctricos y relés. En este entorno ruidoso, el aislamiento protege la circuitería digital del dispositivo de E/S de tensiones que están más allá de su rango de funcionamiento normal.

En caso de fallo en un sistema automatizado de gran tamaño, es imperativo poder mirar hacia atrás en el tiempo el estado del sistema en el momento del fallo. Igualmente importantes son los estados que conducen al fracaso.

Monitorización de centrales eléctricas

En agosto de 2003, varias ciudades del noreste de Estados Unidos fueron afectadas por un apagón eléctrico que dejó a millones de personas sin electricidad. Durante la investigación que siguió, los funcionarios trataron de determinar la causa del apagón. En un evento como este, la capacidad de ver el estado del sistema antes del apagón – minutos, horas o incluso días antes – es extremadamente valiosa.

Debido a que un sistema puede cambiar esporádicamente, necesita ser monitoreado en todo momento. Por otro lado, la medición constante del sistema a un intervalo determinado puede dar lugar a enormes cantidades de datos, muchos de los cuales son repetitivos e irrelevantes. La detección de cambios proporciona lo mejor de ambos mundos al eliminar los datos repetitivos sin dejar de registrar eventos importantes del sistema. Usando la detección de cambios, los datos se capturan solo cuando se detecta un borde ascendente o descendente en entradas especificadas. Por ejemplo, cada vez que un relé se abre o se cierra, los estados de todos los relés serán capturados y guardados en caso de que sean necesarios en un momento posterior.

Crear un programa para usar la detección de cambios es sencillo en NI-DAQmx. El NI-DAQmx Timing VI tiene una nueva instancia polimórfica que trata la detección de cambios al igual que cualquier otra operación de entrada NI-DAQmx almacenada temporalmente (Figura 3). El programador tiene control total sobre qué líneas se utilizan para detectar un cambio. El control de líneas ascendentes y líneas descendentes se puede rellenar con cualquier combinación de líneas de entrada que exista físicamente en el dispositivo. En la siguiente sección se analiza cómo la detección de cambios es aún más útil cuando se utiliza con el filtrado de entrada digital.

Figura 3. Configuración de la detección de cambios en NI-DAQmx

Como se ha comentado anteriormente, los entornos industriales pueden ser eléctricamente ruidosos. Este ruido puede causar una variedad de problemas, uno de los cuales son las lecturas no deseadas. Cualquier dispositivo de entrada digital utiliza uno o dos umbrales de voltaje para determinar si la entrada es alta o baja. Cuando la tensión de entrada está por encima del umbral alto, el dispositivo lee un valor lógico alto. Por el contrario, si la tensión está por debajo del umbral bajo, el dispositivo lee un mínimo lógico. Si hay ruido, la tensión de entrada podría cruzar los umbrales inesperadamente, causando una lectura incorrecta alta o baja. En otros casos, una señal puede parecer cambiar de estado varias veces, cuando en realidad cambió solo una vez.

Refinería de petróleo

En las refinerías de petróleo, se puede utilizar un interruptor clave para activar el flujo de crudo a una cámara para el refinado. El interruptor, sin embargo, tiende a mostrar mucho rebote. Al igual que una bola que rebota en una superficie dura, uno de los contactos metálicos tenderá a rebotar cuando se fuerza al otro contacto. La conmutación repetida de la señal haría que la bomba que controla se encienda y apague rápidamente, lo que puede acelerar el desgaste de la bomba y, finalmente, provocar un fallo prematuro. Además, si estuviera utilizando un dispositivo NI con detección de cambios para adquirir esta señal, el buffer de entrada se llenaría innecesariamente.

Si los filtros de entrada están habilitados en el dispositivo NI, eliminará las lecturas erróneas causadas por el interruptor de rebote. Lo hace ignorando cualquier pulso que sea demasiado pequeño en anchura. El dispositivo NI puede emitir la señal filtrada a la bomba. Con los filtros de entrada programables, el usuario puede seleccionar mediante programación la anchura de pulso mínima que se garantiza que pase (Figura 4).

Figura 4. Configuración de filtros de entrada en NI-DAQmx

Cualquier pulso que sea mayor que el pulso mínimo especificado se garantiza que pase, y cualquier pulso que sea menor que la mitad del ancho de pulso especificado se garantiza que se filtre. Los pulsos que caen entre la mitad del ancho del pulso y un ancho de pulso completo pueden pasar o no.

Cuando se enciende una computadora, varios componentes comienzan sus propias rutinas de encendido para garantizar que alcancen un estado funcional y esperado. Si se utiliza un dispositivo de salida digital dentro de la computadora para controlar maquinaria o un proceso industrial, es importante que las salidas digitales también se inicialicen a un estado conocido. Cambiar las salidas normalmente requiere que una aplicación se esté ejecutando, pero el dispositivo puede estar encendido durante varios minutos antes de que la aplicación pueda iniciarse. Es importante que haya una manera de que el propio dispositivo digital establezca sus salidas tan pronto como reciba energía.

Laminador

En un tren de laminación, el acero calentado es forzado a través de maquinaria de laminación para crear vigas de acero de diferentes anchos. El motor rodante es controlado por una línea de salida digital desde un dispositivo de E/S digital. Cuando el ordenador está encendido, los motores rodantes deben apagarse para evitar que se desperdicie acero durante el arranque. Si el dispositivo de E/S digital no proporciona una forma de garantizar las salidas iniciales, el ordenador debe arrancar completamente y un programa de control debe iniciarse antes de que se emitan estados conocidos en los canales. Esta falta de control podría dar lugar al desperdicio de materias primas y daños costosos en el equipo. Los estados de encendido sin fallos garantizan que todas las salidas digitales comenzarán en un estado conocido cada vez que el dispositivo se encienda. Debido a que ninguna de las máquinas se enciende inesperadamente, no se desperdicia acero.

En los nuevos productos digitales NI, los estados de encendido programables se implementan en una EEPROM en el dispositivo. Los estados de encendido en la EEPROM se pueden cambiar programáticamente por cualquiera de dos métodos diferentes. A) El NI-DAQmx Set Power-Up States VI se puede ejecutar en LabVIEW (Figura 5). Cuando se ejecuta el VI, los ajustes se descargan en la EEPROM.

Figura 5. Estados de encendido en LabVIEW

B) Estos ajustes también se pueden escribir desde NI Measurement & Automation Explorer (MAX) abriendo la página de propiedades del dispositivo. Los ajustes deseados se escriben cuando el usuario hace clic en el botón Aceptar (Figura 6). Ambos métodos son fáciles de usar para implementar estados de encendido programables.

Figura 6. Estados Power-Up en MAX

Los sistemas de control suelen requerir algún tipo de redundancia o mecanismos de seguridad. En caso de fallo inesperado de algún componente del sistema, el mecanismo a prueba de fallos se hará cargo y colocará el sistema en un estado seguro conocido. Los vigilantes de E/S digitales de los nuevos productos digitales industriales NI proporcionan un método para detectar errores del sistema y recuperarse de ellos de forma segura. Tenga en cuenta que la función NI-DAQmx Watchdog está diseñada para proteger un sistema de errores de software y se cuelga. En el caso de un sistema PXI con control remoto a través de MXI, una conexión MXI perdida podría resultar en un comportamiento inesperado de Watchdog y, por lo tanto, estados de Watchdog implementados incorrectamente. 

Fábrica de caramelos

El chicle se corta y envasa en una fábrica de dulces. Una cuchilla corta el chicle en trozos, y un transportador mueve los trozos a una máquina de envasado. Tanto la cuchilla como el transportador son controlados por líneas de salida digitales. Si la aplicación de control se cuelga, lo ideal sería que el transportador dejara de moverse y que la cuchilla se alejara de la encía. De lo contrario, la maquinaria podría dañarse y el chicle podría desperdiciarse innecesariamente. Los vigilantes de E/S digitales proporcionan una forma de configurar las salidas de un dispositivo digital en estados seguros conocidos en caso de fallo o falla del sistema. El dispositivo digital recibe constantemente confirmación de que el ordenador sigue funcionando correctamente. Si esta confirmación no se recibe dentro de un tiempo de espera programable, los estados seguros se escriben en las salidas. La figura 7 muestra el flujo de información durante el funcionamiento normal.

Figura 7. Diagrama de flujo del temporizador Watchdog que muestra los niveles separados de hardware y software

Una vez que el perro guardián está configurado e iniciado, la aplicación de software debe restablecer continuamente el temporizador para evitar la caducidad. Esta tarea se realiza con el NI-DAQmx Control Watchdog Task VI como se muestra en la Figura 8. Este restablecimiento sirve como confirmación discutida anteriormente.

Figura 8. Configuración y reinicio del temporizador Watchdog

En el diagrama de flujo continuo de la figura 9, si se produce un fallo (como el que se cuelga del ordenador), el hardware continuará contando hacia atrás hasta que expire el tiempo de espera. En este momento, los estados seguros predefinidos se escriben en las salidas, y todas las escrituras futuras se ignoran.

Figura 9. Diagrama de flujo que muestra la caducidad del temporizador Watchdog

Para que el dispositivo vuelva a responder a los comandos de hardware, la caducidad debe borrarse, de nuevo utilizando la Tarea VI de Control de NI-DAQmx como en la Figura 10.

Figura 10. Limpiar la caducidad

Los vigilantes de E/S digitales protegen contra varios tipos de fallas, incluidos los cuelgues de aplicaciones, los cuelgues de computadoras y los bloqueos generales del sistema. Importante a tener en cuenta de la descripción anterior es que una vez configurado, el perro guardián no depende del software para emitir los estados seguros. El software solo se requiere para restablecer el temporizador. 

El nuevo conjunto de características industriales de alta fiabilidad es una forma poderosa de regular los procesos industriales, reducir el ruido, limitar los daños a la máquina y prevenir el desperdicio. Todas las funciones programables se implementan fácilmente con NI-DAQmx, por lo que se pueden implementar rápidamente en la planta de fábrica. Los productos aislados proporcionan una forma de adquirir y generar señales digitales de alto voltaje, protegiendo los circuitos internos tanto del dispositivo de E/S como del ordenador. Con este completo conjunto de características, puede crear un sistema industrial robusto y profesional.