Sistema para la medida de retrasos en instrumentos distribuida.
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un sistema que permite determinar los retrasos que afectan a los datos obtenidos mediante sistemas de instrumentación y control distribuidos. Estos retrasos, asociados a la velocidad de variación de las magnitudes físicas, hacen que los datos considerados se encuentren afectados por un error que es conveniente considerar en cualquier sistema de instrumentación y control. Es de aplicación, con ligeras modificaciones para cada caso particular, a prácticamente cualquier sistema de instrumentación y/o control distribuido; en concreto se describe una arquitectura adaptada a un sistema de telecontrol de redes de energía eléctrica.
Estado de la técnica
En buen número de procesos industriales, a poco que la complejidad del mismo lo justifique, se realiza un seguimiento de las magnitudes físicas más significativas que permitan, por un lado observar y conocer su evolución, y por otro actuar sobre las variables de control del mismo, de forma manual o automática, para conseguir operar el proceso de manera óptica desde un punto de vista técnico y económico. Surgen con ello los equipos de instrumentación (con o sin control asociado) que captan los datos de diversas magnitudes físicas, los presentan a operadores humanos, los procesan y, eventualmente los transmiten a otros equipos. Dada la creciente complejidad técnica de la mayoría de los procesos industriales, los criterios de explotación técnica y económica cada vez más exigentes, y la disponibilidad de equipos de instrumentación a precios más reducidos, existe una tendencia a aumentar el número de equipos de instrumentación (y control) presentes en un preceso productivo.
Con frecuencia, por razones operativas y por su diferente ubicación física, los equipos de instrumentación se hallan físicamente distribuidos en un área geográfica que, dependiendo de la naturaleza del proceso, puede abarcar una simple planta industrial, una ciudad, una región o todo el planeta. Obviamente la información suministrada por los diferentes equipos de instrumentación, distribuidos de esta manera, ha de ser concretada en uno o varios equipos concentradores, constituyendo de esta forma un "sistema de instrumentación (y control) distribuido". En estos sistemas los datos captados por los sensores y equipos de instrumentación de primer nivel, son transmitidos con distintos criterios a equipos concentradores de nivel superior. Análogamente, los datos de equipos concentradores pueden transmitirse a otros concentradores del mismo o superior nivel, constituyendo así el sistema de instrumentación distribuido.
Las medidas que se manejan en un sistema de instrumentación (y control) distribuido están afectadas por un error que depende de dos factores: la evolución de las magnitudes físicas y los retrasos de transmisión. La determinación del primero de estos factores, no presenta dificultades, existiendo buen número de equipos en el mercado que permiten el seguimiento de la evolución de una magnitud física. Más dificultades entraña, sin embargo, el segundo de los factores: el retraso. Hay que señalar que este retraso no es debido únicamente a los tiempos de transmisión por los medios de comunicación sino que incluyen también los tiempos de procesos en los distintos equipos del sistema distribuido, así como las esperas, cíclicas o aleatorias, antes de que un dato se transmita de un equipo a otro. El sistema de medida que se describe en la presente Memoria permite, de una forma sistemática, determinar estos retrasos de transmisión.
Descripción general de la invención
El sistema de medida de retrasos (SMR) propuesto, es un dispositivo capaz de medir el tiempo que ha pasado desde que se tomó en campo una medida determinada, hasta el instante actual, en que esa medida se utiliza en algún ordenador del sistema distribuido con fines de control del mismo.
Para ello el dispositivo genera una señal analógica (SA) que posee forma de diente de sierra. Esta forma de la señal, cuyos parámetros son manejables por el usuario para cada caso, permite que, conocidos dos valores de la misma, se pueda calcular con exactitud el intervalo de tiempo que los separa.
Esta señal (SA) se inyecta en el equipo primario (EP) en sustitución de las medidas reales que el sensor (S) del equipo lleva a cabo. El equipo primario (EP) toma ese valor de la señal analógica (SA) como si fuera el valor medio de una magnitud física y lo envía a través de los canales de comunicación del sistema distribuido, como señal digital (SD).
De esta manera, el propio sistema de medida de retrasos (SMR) analiza la línea de comunicaciones que une el sistema distribuido con el ordenador en estudio. Cuando detecta un mensaje con datos, almacena el valor actual de la señal analógica (SA) que se está inyectando en esos momentos en el equipo primario (EP) y compara ese valor con el transmitido a través del sistema de medida de retrasos (SMR) a través de la señal digital (SD). Dada la forma de la señal analógica (SA) inyectada es fácil obtener el tiempo transcurrido entre los dos valores, que al fin y al cabo es el retraso con el que las medidas llegan a ese ordenador concreto del sistema distribuido.
Descripción detallada de la invención
Es consustancial a los sistemas de instrumentación (y control) distribuido, dada su arquitectura, que los datos que posee un equipo concentrador determinado estén afectados por un retraso, en base a los cuales se tomarán probablemente decisiones de actuación sobre el proceso. De ahí que el valor de la magnitud física que posee un equipo concentrador no corresponde con su valor actual, sino con el valor que tenía cuando el equipo de instrumentación primario realizó la medición. Este retraso se denomina técnicamente "edad" del dato y es una medida indirecta de su error. La magnitud física medida está variando en el tiempo de modo que el valor actual no coincide con el valor que tenía cuando se realizó la medición (figura 1). El error será mayor o menor dependiendo de la rapidez de la variación y de la edad del dato.
En un sistema típico de instrumentación distribuido el conjunto de elementos que forman la cadena a través de la cual se obtiene una medida de una magnitud física está compuesta por (figura 2.a):
el proceso físico estudiado (P); el sensor de medida (S) que realiza la conversión de la magnitud física medida a una magnitud eléctrica (tensión o intensidad); el equipo primario (EP) de instrumentación que acepta la señal eléctrica del sensor y la hace disponible para almacenamiento, presentación o transmisión a otros equipos; uno o varios concentradores (Cn, Cn-1,...., C1) que reciben el valor de la magnitud medida mediante comunicación de datos entre procesadores, típicamente (aunque no exclusivamente) mediante una comunicación asíncrona según la norma RS-232. Esta arquitectura puede ser representada de forma simplificada tal como aparece en la figura 2.b.
El sistema de medida de retrasos que se propone en esta invención permite medir el tiempo que transcurre desde que un equipo de instrumentación primero (EP) lee el valor de un sensor S, hasta que dicho valor llega, mediante comunicaciones intermedias C1...Cn-1, a un equipo concentrador de nivel n, Cn. Para ello el sistema de medida de retraso (SMR) debe conectarse a la instrumentación distribuida tal como aparece en la figura 3. Como puede verse, en esta configuración el equipo de instrumentación primario no lee la información del sensor sino una información que le suministra el sistema de medida en forma de señal analógica de tensión o intensidad. Por otra parte, el sistema de medida de retraso (SMR) se conecta también a la línea de comunicaciones que suministra los datos al concentrador de nivel n (Cn), pudiendo leer la información que circula por dicho canal de comunicaciones. Por tanto, el sistema de medidas se conecta con la instrumentación distribuida mediante:
una entrada, en forma de señal digital de comunicación de datos SD, conecta internamente a un interfaz de comunicaciones; una salida, en forma de señal analógica de instrumentación SA, obtenida internamente a partir de un convertidor digital/analógico D/A. La arquitectura del sistema de medida propuesto presenta una gran flexibilidad y modularidad, por lo que puede ser fácilmente adaptado a las características de los distintos sistemas de instrumentación distribuidos. Básicamente está compuesto por (figura 4):
una unidad central de proceso (CPU) de propósito general, los requisitos de proceso de este sistema no son excesivamente pesados por lo que puede utilizarse una del tipo 80286 o similar, una memoria (Mm) de 1 MByte; uno o varios adaptadores de periféricos (A) que, en función de las prestaciones que se soliciten al sistema de medida, puede incluir típicamente disco magnético, disquete, pantalla y teclado; una interfaz de comunicaciones (IC) según las características de la línea de comunicación de datos de la que deba recibir información; un convertidor D/A cuyas características de resolución (típicamente 12 bits), señal de salida (típicamente de 0 a 10 Voltios), tolerancias, etc. se adaptarán al sistema de instrumentación distribuida al que se acopla; un conjunto de programas (Pr) que, utilizando los recursos físicos del equipo de medida, permiten realizar la medida del retraso operando tal como se describe más adelante, y la almacenan, procesan y presentan al operador del sistema de medida. Explicación de las figuras
Figura 1: Error debido al retraso en función de la "edad" del dato y de la variación temporal de la magnitud física medida.
| E | Error de la medida debid al retraso |
| Ed | "Edad" de la medida |
| M | Magnitud física medida |
| t1 | instante de tiempo en el cual se realiza la medida |
| t2 | instante de tiempo en el cual se utiliza la medida realizada en t1 |
| t | Tiempo |
Figura 2: a) Esquema general de un sistema de instrumentación distribuida. b) Representación simplificada del mismo sistema.
| P | Proceso físico |
| S | Sensor |
| EP | Equipo Primario |
| C1 | Concentrador 1 |
| Cn-1 | Concentrador n-1 |
| Cn | Concentrador n, al que llega la medida realizada tras atravesar el sistema distribuido |
| C | Concentrador al que llega la medida realizada tras atravesar el sistema distribuido, |
| equivale en Cn en (a) |
Figura 3: Arquitectura propuesta para el Sistema de Medida de Retrasos en instrumentación distribuída.
| P | Proceso físico |
| S | Sensor, que aparece desconectado para inyectarle al sistema la señal analógica procedente |
| del SMR |
| EP | Equipo Primario |
| C1 | Concentrador 1 |
| Cn-1 | Concentrador n, al que llega la medida realizada tras atravesar el sistema distribuido |
| SMR | Sistema de Medida de Retrasos |
| SD | Señal Digital |
| SA | Señal Analógica |
Figura 4: Esquema de una configuración interna básica del Sistema de Medida de Retrasos.
| Pr | Programa (software) |
| CPU | Unidad Central de Procesos |
| Mm | Memoria |
| SD | Señal Digital, procedente de la línea de cominicación del sistema distribuido con el |
| concentrador n (Cn) |
| SA | Senal analógica, que el Sistema de Medida de Retrasos (SMR) envía al Equipo |
| Primario (EP) |
| IC | Interfaz de Comunicaciones |
| A | Adaptadores de periféricos |
| D/A | Convertidor Digital-Analógico |
Figura 5: Señal analógica (SA) en forma de diente de sierra, generada por el Sistema de Medida de Retrasos (SMR).
| SA | Señal Analógica enviada al Equipo Primario (EP) |
| R | Valor máximo de la señal analógica generada |
| T | Período, en segundos, de la señal analógica generada |
| t | Tiempo |
Figura 6: Principio de operación. Determinación del retraso a partir de los valores V1 y V2. a) En el caso de que V2 > V1
b) En el caso de que V2 < V1
| SA | Señal Analógica |
| R | Valor máximo de la señal analógica generada |
| T | Período, en segundos, de la señal analógica generada |
| V1 | Valor de la señal analógica inyectado en el Equipo Primario (EP) |
| V2 | Valor de la señal analógica en el momento en que el valor V1 llega, a través del sistema |
| distribuido, al concentrador n (Cn) |
| d | Diferencia entre los valores V2 y V1 |
| t | Tiempo |
Ejemplo de realización de la invención
El sistema de medida, conectado a la instrumentación distribuida tal como se indica en la figura 3, realiza su función de acuerdo con un principio de operación que puede describirse en los siguientes pasos:
1) El sistema de medida de retrasos (SMR) genera una señal analógica (SA) que es inyectada en el equipo de instrumentación primario (EP). Esta señal tiene forma de diente de sierra (figura 5) con un valor máximo de R y un periodo de T segundos. Los valores de R y T son programables de forma que el valor máximo de la señal analógica (SA) no supene el máximo de la señal analógica (SA) no supere el máximo permitido por el equipo de instrumentación primario (EP), y que el periodo de la señal sea mayor que el máximo retraso que se desea medir.
2) El sistema de medida de retrasos (SMR) va leyendo contínuamente (por muestreo o por interrupciones) la línea de comunicaciones de entrada. Cuando se detecta que llega un valor de concentrador n, Cn, se almacena dicho valor que se denominará V1, y simultáneamente se comprueba cual es el valor V2 que en ese momento se está inyectando en el equipo de instrumentación primario (EP).
3) Dada la peculiar forma de la señal analógica (SA) inyectada, con los valores V1 y V2 puede determinarse el retraso. Pueden darse dos circunstancias, según que en el tiempo transcurrido por el retraso de transmisión, la señal analógica en diente de sierra haya evolucionado de forma continua o, por el contrario, haya alcanzado su valor máximo, haya caído a cero y de nuevo haya comenzado a subir en rampa.
En el primer caso (figura 6) cocurre que V2 > V1 y el retraso, que se denominará d , puede calcularse por la expresión d = [T/R] (V2-V1) En el segundo caso (figura 7) ocurre que V2 < V1 y el retraso, que se denominará d , puede calcularse por la expresión d = [T/R] (R + V2 - V1) 4) El proceso anterior se repite varias veces permitiendo obtener para el retraso valores instantáneos, valores medios, desviaciones típicas, etc.
El sistema de medida de retrasos (SMR) utilizado ha sido implementado utilizando un ordenador con la siguiente arquitectura:
Procesador 386-SX a 16 MHz. Memoria central de 1 Mbyte de capacidad. Disco magnético de 40 Mbytes de capacidad. Disquete de 3'5" y 1'4 Mbytes de capacidad. Monitor de 14" con resolución VGA (640x480 puntos y 256 colores). Teclado. Interfaz de comunicaciones asíncrona, según la norma RS-232-C, operando a 600 bits por segundo (bps). Tarjeta de salida analógica PC-LabCard modelo PCL-812 de Advantech Co., Ltd., dotada con 2 canales de salida analógicos de 12 bits, operando en un rango de 0 a 10 Voltios. Sistema operativo MS-DOS© versión 6.2 (MS-DOS es una marca restrada de Microsoft Corporation). Programa de medición codificado en lenguaje C y complicado utilizando el compilador Borland C/C++versión 3.1. El equipo se ha utilizado en la medida de retrasos entre dos equipos de instrumentación distribuida, constituidos por un centro de control y una remota. La remota modelo Teletransa 6802, de la firma SAINCO, responde a la siguiente arquitectura:
Unidad central de proceso basada en el microprocesador 6802, con canal de comunicaciones asíncrono, según la norma RS-232-C, operado a 600 bps. 2 tarjetas de adquisición de señales analógicas con resolución de 12 bits y rango de entrada de -10 a + 10 Voltios. Chasis y fuente de alimentación a 48 Voltios de corriente continua. Protocolo de comunicaciones Teletransa. Por su parte el centro está constituido por un equipo PDP-11/84 de la firma Digital Equipment Corporation, con canal de comunicaciones asíncrono RS-232-C, operado con protocolo Teletransa.
Listados de los programas utilizados
