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Laboratorio de Automatización y Mecatrónica Instrumentación Industrial Mecánica y Aplicada a la Mecatrónica Tema: Adquisición de datos usando la tarjeta NI USB 6009 para un proceso de control y su HMI Objetivo: Mediante modulo NI USB 6009, controlamos un proceso instrumentado mediante sensores y actuadores analógicos como digitales. Teoría: El módulo NI USB 6009, es un dispositivo de adquisición de datos fabricado por National Instruments que provee conexión para: 8 entradas analógicas en conexión simple (single-ended SE o RSE) o 4 entradas analógicas en conexión diferencial. 12 entradas/salidas digitales programables y 1 contador de 32 bits a velocidad total (full speed) con conexión USB. Voltajes de entrada en modo diferencial de ±20 V, ±10 V, ±5 V, ±4 V, ±2.5 V, ±2 V, ±1. V, ±1 V. (±20 V significa que |AI X+ – (AI X–)| ≤ 20 V. ) Voltajes de entrada en modo simplemente referenciado de ±10 V. Protección de sobrecarga de hasta ±35 V. Rango de salida analógica de 0 a +5 V. Resolución de salida analógica de 12 bits. Impedancia eléctrica de salida de 50 Ω Máxima corriente de salida de 5 mA. Máxima corriente de cortocircuito de salida de 50 mA. Compatibilidad de salidas digitales con TTL, LVTTL, CMOS. Sus niveles digitales son: Voltaje externo máximo de +5V a 200 mA. y mínimo de 4.85 V. Resistencia pull-up para entradas y salidas digitales de 4.7 kΩ a 5 V. Contador de 32 bits de resolución. Contador por flanco negativo. Dirección de conteo positiva. Máxima frecuencia del reloj: 5 MHz Mínimo ancho de pulso de reloj de 100 ns Mínimo ancho de pulso bajo de 100 ns Voltaje alto de entrada de contador de 2.0 V Voltaje de entrada bajo de 0.8 V.
Laboratorio de Automatización y Mecatrónica Instrumentación Industrial Mecánica y Aplicada a la Mecatrónica USB 2.0 a máxima velocidad (full – speed) Velocidad de USB de 12 Mb/s Alimentación del modulo de 4.10 a 5.25 VDC con corriente típica de 80 mA y máxima de 500 mA., a través de la conexión USB. Sus dimensiones físicas son: Además, su resolución es de 14 bits a conexión diferencial o 13 a conexión simple, una tasa de muestreo máxima de 48 kS/s (a canal simple o múltiple) y una configuración digital de entrada- salida (DIO) programable individualmente como colector abierto (open drain) o drive activo (push-pull). Las entradas analógicas están rotuladas de acuerdo a conexión diferencial, como indica la etiqueta 4 y las digitales como se indican en la etiqueta 3, de la siguiente figura:
Laboratorio de Automatización y Mecatrónica Instrumentación Industrial Mecánica y Aplicada a la Mecatrónica Cuándo utilizar conexiones diferenciales con fuentes de señal flotante Utilícese conexiones diferenciales de entrada para cualquier canal que cumpla alguna de las condiciones siguientes: Su aplicación requiere rangos de entrada diferentes a ± 10 V. La señal de entrada es de bajo nivel y requiere mayor precisión. Los cables de conexión de la señal al dispositivo son mayores que 3 m (10 pies). La señal de entrada requiere un distinto punto de referencia en tierra o señal de retorno. La señal se transmite a través de ambientes ruidosos. Se disponen de dos canales de entrada analógica, AI + y AI-, para la señal. Cuándo utilizar conexión de señal simplemente referenciada (simple o RSE) para fuentes de señal flotante. Utilice únicamente las conexiones de entrada de RSE si la señal de entrada cumple con todas las condiciones siguientes: La señal de entrada puede compartir un punto de referencia común, GND, con otras señales que utilizan la RSE. Su aplicación permite el uso del rango de entrada de ± 10 V. Los cables de conexión de la señal al dispositivo están a menos de 3 m (10 pies). Se recomiendan conexiones de entrada DIFF para obtener una mayor integridad de la señal, para entradas que no cumple con las condiciones anteriores. En los modos SE, acoplamiento de señales electrostáticas y magnéticas externas provocan más ruido que en las conexiones DIFF. El acoplamiento es el resultado de diferencias en la trayectoria de la señal. El acoplamiento magnético es proporcional al área entre los dos conductores
Laboratorio de Automatización y Mecatrónica Instrumentación Industrial Mecánica y Aplicada a la Mecatrónica mientras que el acoplamiento eléctrico es una función de la magnitud de la diferencia de campo eléctrico entre los dos conductores. Para conexiones diferenciales conecte en terminal positivo de la señal del sensor a AI X+ y el terminal negativo a AI X-, tal como muestra el siguiente grafico: El modo de entrada diferencial se puede medir señales de ± 20 V en un rango de ± 20 V. Sin embargo, la tensión máxima en cualquier borne no debe sobrepasar ± 10 V con respecto a GND. Por ejemplo, si AI 1 es de +10 V y AI 5 es -10 V, entonces la medición en el dispositivo es de + V. Para conectar la salida a un sensor en medida simplemente referenciada (RSE), conectaremos la señal de voltaje positivo a un terminal de AI X, y la señal de tierra a un terminal GND, tal como se muestra en la figura: Cuando no hay ninguna señal conectada al terminal de entrada analógica, el divisor de resistencia interna, puede causar en el terminal un voltaje flotante de aproximadamente 1,4 V
Laboratorio de Automatización y Mecatrónica Instrumentación Industrial Mecánica y Aplicada a la Mecatrónica Trabajo preparatorio Prepare el hardware (en protoboard) y el software (en Labview) para controlar un proceso de acuerdo al siguiente detalle: A un tanque de almacenamiento de líquido, como el indicado en la figura anterior, le colocamos un sensor analógico formado por un flotador, una cremallera, un piñón y un potenciómetro. El piñón se encuentra solidario al potenciómetro de tal forma que al girar el mismo, la resistencia del potenciómetro variara. Al aumentar o disminuir el líquido en el tanque, su movimiento es transferido hacia la cremallera, mediante una barra rígida, y el movimiento lineal de la cremallera se transforma en movimiento angular en el potenciómetro, gracias al piñón. El tanque de altura H, tiene dos referencias, una referencia mínima o valor mínimo de nivel, hmin, y una referencia máxima o valor máximo de nivel, hmax. Cuando se prende el botón de inicio o control, y el tanque se encuentra vacío, se enciende la válvula de entrada Vi. El líquido ingresa hasta llenar el tanque, esto sucede cuando alcanza el valor de la referencia máxima. Una vez que ha llegado a su máximo valor (el tanque está lleno), se apaga la válvula de entrada y se enciende la de salida, la misma que se mantiene encendida hasta que el líquido ha vaciado el tanque, o sea ha llegado a su referencia mínima, luego de lo cual se apagara la válvula de salida, encendiéndose la de entrada hasta llenar el tanque y así consecutivamente. Suponiendo que la altura H del tanque es de 350 cm, y que la referencia mínima, hmin es el 5% de H y la referencia máxima, hmax es el 95% de H, en función del valor nominal (R) de la resistencia del potenciómetro que usted utilizara, y del circuito del potenciómetro que uso en la GUIA F, para el sensor analógico, determine cuál es valor del voltaje para hmin y para hmax, suponiendo que para tanque TOTALMENTE VACIO, la resistencia del potenciómetro es 0 Ω. Con los datos calculados, realice un HMI en Labview que pueda trabajar en dos modos: modo de simulación y modo de control. En el modo de simulación mediante un DIAL o KNOB simulo el ingreso de señal (como que si fuera desde el potenciómetro), y en función de la variación de valores, compruebo el funcionamiento y operación de las válvulas, en base a lo indicado anteriormente. Las válvulas se representarán mediante LEDS que se encenderán o apagarán en el panel frontal del HMI. En este modo en ningún momento hay interacción con los instrumentos exteriores. Al mover el DIAL o KNOB se deberá observar, en tiempo real, como sube y baja el nivel del tanque. Ref. mínimo potenciómetro Ref. máxima flotador barra rígida cremallera piñón Válvula de entrada, Vi Válvula de salida, Vs
Laboratorio de Automatización y Mecatrónica Instrumentación Industrial Mecánica y Aplicada a la Mecatrónica En el modo de control la señal del nivel ingresa a través de la tarjeta NI USB 6009, desde el potenciómetro. Cuando el Labview manda a encender o apagar las válvulas, también se prenderán o apagaran los LEDS, que las representan en el HMI. En este modo el único dispositivo que queda sin operación es el DIAL o KNOB. Al mover la perilla del potenciómetro se deberá observar, en tiempo real, como sube y baja el nivel del tanque. Materiales y Equipos: El laboratorio le suministra: a. Modulo USB NI 9006 o equivalente. b. Fuente de alimentación de 24 Vdc. Usted debe traer: a. Computador con el software requerido b. Multímetro digital. Por si acaso asegúrese que no está quemado el fusible del amperímetro, por si requerimos medir corrientes. c. Los potenciómetros, LEDs y finales de carrera que crea conveniente de acuerdo al diseño hecho en el preparatorio, así como un protoboard donde conectarlos, y el circuito para alimentar de 12 Vdc al potenciómetro. d. Cable USB y aquellos que crea necesario. Procedimiento: De acuerdo a lo indicado en el Trabajo Preparatorio, y basándose en este, realice las siguientes tareas: Abra el HMI diseñado, Conecte los instrumentos (sensores y actuadores) al modulo Conecte el modulo a la PC mediante el cable USB, Verifique que la PC reconoció el modulo, Energice (con la supervisión del profesor laboratorista) sensores y actuadores, luego de una concienzuda revisión de las conexiones. Compruebe la comunicación del HMI con los instrumentos y viceversa. Compruebe la operación de acuerdo a lo solicitado. Presente los resultados. Análisis de resultados. Realice el informe respectivo de acuerdo al procedimiento para presentar informes de laboratorio indicado. Modifique el HMI probado en el laboratorio y su programación de manera que los niveles mínimo y máximo no sean constantes (5 y 95% de H), de manera que mediante un DIAL o KNOB, pueda regular el nivel mínimo entre 0 y 20 % de H (en intervalos de 5%) y el nivel máximo entre 80 y 95% de H (en intervalos de 5%), así como, permita que pueda el programa tomar como dato la altura del tanque H. Conclusiones, Recomendaciones y Bibliografía
