MÓDULO INSTRUMENTACIÓN ESPECIALIZACIÓN EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL – UPTC SOGAMOSO
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INSTRUMENTSTM ofrecen la capacidad de manejar señales Jonathan Neira González (201623638),
[email protected] Oscar Eduardo Villate Moreno (201623841),
[email protected] Laboratorio #2 (Septiembre 2016)
Sistemas de Adquisición de Datos Industriales Industrial acquisition systems data
Resumen —En la realidad, todo proceso industrial demanda una arquitectura con un buen diseño para el óptimo producto final. El rendimiento de la máquina se alía directamente con las calibraciones de los sensores, la velocidad de respuesta y la sintonía con el proceso. En este laboratorio se practica con diferentes señales de acondicionamiento que la entrega de los sensores, por lo que les llevará a la computadora por un sistema de adquisición de datos (National Instruments), en el sistema de Labview integramos un poco de proceso con los botones, contadores, contadores, alarmas entre otros. Palabras claves: sensores, LabVIEW, adquisición, National Instruments, señales analógicas, señales digitales.
digitales y analógicas que pueden ser utilizadas para leer sensores o modificar el estado de los actuadores utilizados en un proceso. Además de eso cuenta con LabVIEW, un software para el desarrollo de aplicaciones, lo que asegura la compatibilidad y comunicación entre los elementos que conforman el sistema (NI LabVIEW, NI DAQ, sensores y actuadores).
Abstract—In the actually, all industrial process demand an arquitecture with good design for the final optimum product. The machine performance is directly allied with the sensors calibrations, speed response and the tuning with the process. In this laboratory we practice with different signals conditioning that delivering sensors, so take them to the computer by a data acquisition system (national Instruments), in the Labview system we integrate a little process with buttons, meters, counters, alarms among others.
A. Conectividad de los sensores. 1) Como conectar un sensor que entrega corriente 4 a 20 mA?. Para el caso de un sensor que genere la señal de (4-20)mA, tipo activo. La conexión se realiza directamente con sus puertos de entrada. Además hay que tener presente que este tipo de sensores requieren polarización propia.
Keywords: Sensors, Labview, acquirement, National Instruments, analog signals, digital signals
I.
E
MARCO TEÓRICO
INTRODUCCIÓN
n la actualidad el uso generalizado de tecnologías de la información y comunicación (TIC), así como el avance gigantesco de la tecnología en general, han permitido un desarrollo bastante notable en lo que a adquisición y tratamiento de datos se refiere. Los sistemas de adquisición de datos, son conformados por cuatro elementos principales: hardware, software, PC y sensores. Las características y funciones de cada uno de estos elementos determina en gran parte el adecuado desempeño del sistema. Algunas de las características y funciones mas sobresalientes de un sistema de adquisición de datos son: Especificaciones de entradas analógicas. Numero de canales. Velocidad máxima de muestreo. Resolución de los datos. Mecanismos de muestro. Tipo de comunicación con la PC. Aislamiento eléctrico del dispositivo. Software controlador o driver de comunicación. En el mercado existe una gran variedad de dispositivos orientados a las tareas de adquisición de datos y monitoreo de variables físicas. La universidad pedagógica y tecnológica de Colombia (UPTC), cuenta con diferentes tarjetas de adquisición de datos, así como algunos sensores industriales que están enfocadas con fines académicos y científicos. Las tarjetas de adquisición de NATIONAL
II.
Ilustración 1. Diagrama de conexión de sensor a dos hilos de corriente directa.
2) Como se conecta un sensor que entrega voltaje 0 a 10 V?. Este tipo de sensores generalmente son sensores activos que requieren fuente externa para energizarse, si la tarjeta de adquisición ofrece salidas para la polarización del sensor las usaremos siempre y cuando el consumo de corriente del sensor este dentro de los parámetros de la tarjeta. Lo mas importante para tener en cuenta en este tipo de conexiones es la tierra o referencia, debe ser la misma entre el sensor y las entradas analógicas a la tarjeta.
Ilustración 2. conexiones de un sensor de nivel que entrega una salida de (010) Vdc.
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3) Como se conecta un sensor de 2 Hilos?. Los sensores de dos hilos usualmente requieren de ser conectados a VCC en uno de sus terminales y el otro terminal iría a la entrada de la tarjeta (analógica o Digital) según sea el tipo de sensor.
Ilustración 5. Polarización de sensor de 4 hilos.
6) Cuáles son los sensores más empleados para medir silos de cemento?. Los Sensores de ultrasonido son los más empleados para medir el nivel en los silos de cemento, ya que no tienen piezas mecánicas que se desgasten o se obstruyan.
Ilustración 3. Diagrama de conexión de sensor a dos hilos de corriente directa.
4) Como se conecta un sensor de 3 hilos? Dependiendo del tipo de señal que entregue el sensor (analógica o digital) se selecciona el tipo de entrada al PLC, un sensor que posee tres hilos requiere ser polarizado por dos de sus hilos y por el tercer hilo entregan la señal de respuesta sensada, usualmente encontramos estos sensores con hilos de color: marrón, azul y negro. Donde el cable marrón es el que se conecta a la polaridad positiva, el azul se conecta a la polaridad negativa y el negro es la señal que entrega el sensor (analógica o digital). Ilustración 6. Sensor ultrasónico de silo.
Ilustración 4. Tipos de sensores de tres hilos (NPN & PNP) esto depende de su electrónica interna.
5) Como se conecta un sensor de 4 hilos?. Los sensores de 4 hilos ofrecen una salida más, bien sea que una señal complementaria para el caso de un sensor digital (todo-nada) o en el caso de uno analógico una señal de Voltaje y una de corriente. En las siguientes imágenes se puede apreciar el diagrama de conexiones de un sensor magnético y su característica física:
B. Termocuplas. Las termocuplas J y K son los sensores de temperatura de uso industrial más comunes, económicos y fáciles de reemplazar que existen en el mercado.
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Ilustración 7. Termocupla.
Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolt el cual aumenta con la temperatura.
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A. Materiales del laboratorio. 1) Tarjeta de adquisición básica educativa NI USB-6009. 2) Tarjeta de adquisición NI 6211. 3) Modulo de la serie C NI 9263. 4) Modulo de la serie C NI 9265. 5) Modulo de la serie C NI 9207. 6) Modulo de la serie C NI 9422. 7) Modulo de la serie C NI 9472. 8) Modulo de la serie C NI 9211. 9) Elementos: Multímetro, fuente DC, destornillador delgado y protoboard. 10) Sensores: Inductivos, capacitivos, ópticos, ultrasónicos y sus hojas de datos. 11) Labview. B. Procedimientos. 1) Realizar test de verificación par alas tarjetas de adquisición NI 6009 y NI 6211.
TABLA I TIPO DE TERMOCUPLAS
Tc
Cable + Aleación
J
Hierro
K
Nickel / cromo
T
Cromo
R
Cable Aleación Cobre/ nickel Níquel / Aluminio Cobre / nickel 100% Platino
Rango temperatura C (-180,750)
Aplicaciones industriales
(-180, 1372)
Plástico, fundiciones a bajas temperaturas. Fundición , hornos.
(-250,400)
Alimentos
87% (0,1767) Siderúrgica. Platino 13% Rhodio S 90% 100% (0,1767) Platino Platino 10% Rhodio B 70% 94% (0,1820) Platino Platino 30% 6% Rhodio Rhodio Especificaciones de operación de las termocupla tipo J, K, T, R S y B en la industria. C = Celsius , Tc = termocupla. III.
Ilustración 8. Test de verificación para la tarjeta de adquisición NI 6211.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
En el objetivo de la practica es conocer y aplicar sistemas de adquisición de datos a nivel industrial como lo es los sistemas DAQ y en especifico con aplicaciones de sensores en ambientes reales.
Ilustración 9. Diagrama de conexión para la tarjeta de adquisición NI USB 6009.
2) Realizar test de verificación a los módulos serie C NI 9263, NI 9265, NI 9207, NI 9422, NI 9472 y NI 9211. Se debe verificar que los módulos de E/S de la serie M están alistados debajo del chasis. Al PC principal le debe tomar unos segundos descubrir todos los módulos, dependiendo de la velocidad de la red. Se procede a realizar el Self-Test del dispositivo. Cuando la auto –prueba termina , aparece un mensaje indicando la correcta verificación o si a ocurrido un error.
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Ilustración 10. Test de verificación para el modulo serie C NI 9263.
3) Montaje para el modulo NI 9263, realizar el control de velocidad lazo abierto de un motor DC, de igual forma presente al usuario la velocidad en un tacómetro. 4) Montaje para el modulo NI 9265, realizar un montaje con resistencia de carga que convierta la señal de voltaje 0 a10 voltios y maneje la velocidad del motor. 5) Montaje para el modulo NI 9207, el modulo NI 9207 opera como entradas analógicas de voltaje o corriente, conectar a la entrada analógica de voltaje el sensor de posición lineal y mostrar en Labview los desplazamientos de posición del sensor, con una aplicación de medición de nivel de un tanque con flotador acoplado con el sensor de posición. a)
Se utilizo un sensor de posición PMI360-F110-IUV1.
b)
Del sensor de posición se utilizaron las salidas analógicas que van de 0 V …. 10V.
Ilustración 11. Elementos dispuestos para realizar el montaje de la medición de nivel.
c)
Se programo en Labview una aplicación para la adquisición de datos.
d)
Se diseño un circuito sobre una protoboard para facilitar las conexiones.
Ilustración 12. Aplicación VI de LabVIEW para la adquisición de datos de sensor de posición final y además para el muestreo de esa posición en forma de una tanque de agua.
6) Montaje para el modulo NI 9207, el modulo NI 9207 opera como entradas analógicas de voltaje o corriente, conectar a la entrada analógica de voltaje el sensor de temperatura (termocupla) y mostrar en Labview las variaciones de voltaje, con una aplicación de temperatura.
MÓDULO INSTRUMENTACIÓN ESPECIALIZACIÓN EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL – UPTC SOGAMOSO a)
Se programa un VI para la adquisición temperatura de una termocupla tipo instrumento de medición a utilizar es el asistente ,pues en este instrumento se especificar el tipo de sensor de temperatura.
b)
Se conecta la termocupla tipo J en los pines previamente programados para la adquisición de datos. El pin de conexión de la termocupla esta polarizado. Se debe conectar de acuerdo a lo especificado.
7) Montar para el modulo NI 9211, realizar la adquisición de datos con termocupla tipo J y tipo K conectadas al modulo, verificar las diferencias entre los dispositivos. a)
b)
8) Montar para el modulo NI 9422, realizar el montaje de sensado de elementos que pasan por una banda transportadora que debe detectar objetos metálicos y no metálicos e identificar cuantos metálicos se desplazaron y cuantos no metálicos (usar los sensores de proximidad).
de la J. El DAQ puede
Ilustración 13. Aplicación VI de LabVIEW para la adquisición de datos termocupla tipo J y además para el muestreo de la temperatura con un indicador grafico (termómetro ) en el entorno LabVIEW.
Se programa un VI para la adquisición de la temperatura de una termocupla tipo J y la termocupla tipo K. El instrumento de medición a utilizar es el DAQ asistente ,pues en este instrumento se puede especificar el tipo de sensor de temperatura. Se conecta la termocupla tipo J y tipo K en los pines previamente programados para la adquisición de datos. Los pines de conexión de las termocuplas están polarizados. Se debe conectar de acuerdo a lo especificado.
a)
Se utilizo un sensor inductivo NBB4-12GM50-A0-V1 y un sensor capacitivo CJ10-30GM-E2-V1.
b)
Montamos los sensores anteriormente mencionados sobre una banda transportadora.
Ilustración 14. Montaje de sensores sobre la banda transportadora.
c)
El sensor capacitivo es utilizado para detectar todos los elementos que pasen por la banda transportadora.
d)
El sensor inductivo es utilizado para detectar todos los elementos metálicos que pasen por la banda.
e)
Dentro de la programación utilizamos contadores (uno para cada sensor).
f)
Para determinar los elementos no metálicos restamos el resultado del contador capacitivo menos el resultado del contador inductivo, como lo muestra la ecuación (1).
Nometal ContCapacitivo Continductivo g)
Fig. 2. Aplicación VI de Labview para la adquisición de datos de una termocupla tipo J y otra tipo K, además para el muestreo de la temperatura con indicador graficos ( termómetros) en el entorno de Labview.
5
dos
(1)
Se programo en Labview una aplicación para la adquisición de datos.
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apreciar que los valores que entrega el par tipo K, respecto al par tipo J son ligeramente diferentes. Aunque el sistema da la opción de escoger el tipo de termopar empleado, se obtuvo una pequeña discrepancia de temperatura al medir el mismo punto. Como por ejemplo la temperatura de la mano o la temperatura que alcanza la llama de un mechero.
Fig. 2. Aplicación VI de Labview para la adquisición de datos de sensores de proximidad (la aplicación incorpora dos instrumentos de medición DAQ assistant).
9) Montaje para el modulo NI 9472, realizar un montaje que encienda un led externo cada vez que se active un sensor de proximidad. a)
Se utilizo un sensor capacitivo CJ10-30GM-E2-V1.
b)
El sensor capacitivo es utilizado para detectar todos los elementos que se aproximen a este.
c)
Se utiliza un instrumento de medición DAQ assistant para la adquisición de la señal On –off del sensor de proximidad.
d)
Se utiliza un instrumento de medición DAQ assistant para la generación de señales digitales, esta señal es utilizada para prender un led cada vez que el sensor se active.
Se recomienda verificar las características de los sensores antes de ser montados en el proceso. La mala selección de un sensor conlleva a limitar la medición en un espacio físico deseado. V.
CONCLUSIONES
Se concluye que los sistemas de adquisición de datos de NATIONAL INSTRUMENT son muy útiles en el campo educativo para diversas aplicaciones de medición cuya característica es su fácil montaje y programación en LabVIEW. Se debe asegurar que el software (LabVIEW) presente la programación adecuada, con el propósito de poder observar las respuestas que presentan los sensores conectados. La interfaz de Labview, integrada a cada una de los procedimientos, es el medio de verificación de la fiabilidad de la señal recibida. Es por ello que dicha interfaz se debe diseñar para que sea amigable para el usuario, en términos estéticos y de facilidad de manipulación .
Se concluye que para asegurar un buen montaje, este se debe someter a pruebas técnicas, de funcionamiento y de campo con el fin de obtener resultados reales en cuanto a las señales de adquisición. Se recomienda verificar las características de los sensores antes de ser montados en el proceso. La mala selección de un sensor conlleva a limitar la medición en un espacio físico deseado. VI. BIBLIOGRAFIA Ilustración 15. Aplicación VI de LabVIEW para la adquisición y generador de señales digitales. IV.
RESULTADOS Y ANALISIS
El sensor de posición lineal que ofrece salidas analógicas de voltaje (0-10)Vdc, y de corriente (4-20)mA facilita al momento de conectarlo con las tarjetas de adquisición de datos, y debido a la versatilidad, el montaje para el sensor de nivel de un tanque evidencio buen resultado al momento de implementarlo. Para el montaje de la aplicación con Termocuplas se pudo
Balcells, J., & Romeral, J. Automatas Programables (Serie mundo electronico ed.). Marcombo. Creus, A. Instrumentos industriales su ajuste y calibración. Marcombo. Pallas, R. Sensores y acondicionadores de señal. Marcombo. Creaus, Antonio;. (1999). Control de procesos industriales. Marcombo. www.sensorestelemecanique.htm. (s.f.). Recuperado el 2016 National instruments. (s.f.). Recuperado el septiembre de 2016, de National instruments: www.ni.com
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