Beneficios de Ethernet para Sistemas de Medición y Control Distribuidos

2 04 2012

A medida que la industria de medición y control adoptaron los estándares de la PC a lo largo de los últimos veinte años, como los sistemas operativos y las arquitecturas de bus interno, los ingenieros que requieren de inteligencia distribuida y E/S están aplicando tecnologías de comunicación estandarizada por la industria de la PC. Tradicionalmente, los vendedores creaban sus propias redes de comunicación para conectar sensores, y comunicarse con la empresa. Como resultado, la interoperabilidad era pobre, el equipo costoso, y las mejoras eran pocas. La industria de la PC ha estandarizado los buses de comunicación, haciendo facil el diseñar un sistema de medición y control distribuido. Al usar software flexible, la instrumentación virtual extrae más los detalles de comunicación y ayuda a ingenieros y científicos a seleccionar el bus de datos que más se ajusta a sus necesidades – ya sea que elijan el PCI, PXI, GPIB, USB, FireWire, Ethernet, u otros buses de comunicación futuros. Ethernet se ha convertido en el estándar para sistemas altamente distribuidos. Existen cuatro beneficios básicos al usar Ethernet lo que ha permitido su adopción en automatización y medición distribuida.

Figura 1. Ethernet escala fácilmente de una empresa a sistemas de E/S distribuidos y proporciona beneficios basados en la tecnología de PCs.

Cuatro Beneficios de Ethernet para Medición y Control Distribuido

1. Tecnología presente en todas partes.

Un beneficio primario del Ethernet en sistemas distribuidos de medición y control es la estandarización del equipo y herramientas por la industria de la PC, la cual empuja rápidamente mejoras en características, desempeño, y facilidad de uso mientras disminuye precios. Hoy en día, para sistemas de prueba simples, el costo del equipo de un sistema de comunicación Ethernet para control y adquisición de datos locales puede costar menos de $50, y puede comprar sus componentes en la tienda de electrónicos más cercana. Para sistemas donde la confiabilidad resulta la principal preocupación, la tecnología comercial (COTS) diseñada para proporcionar altos niveles de actividad también están disponibles. Vendedores como Cisco Systems ofrecen componentes que incorporan redundancia y conmutaciones automatizadas para cumplir con los requerimientos de las compañías que confían en Ethernet para tiendas Web, sistemas de pedido, y sistemas de manufactura. Con estos productos, puede detectar problemas en la red y arreglarlos en segundos usando tecnologías como el protocolo de libre rotación, el cual proporciona una ruta de redundancia. Para ambientes con ejecuciones a través de largos cables o con alto ruido electromagnético, puede utilizar fibras ópticas – ofrecimiento estándar de Ethernet – o para comunicaciones móviles, puede fácilmente configurar su sistema a un Ethernet inalámbrico vía IEEE 802.11, otra opción estándar del Ethernet. Compañías como Hirschmann y Woodhead incluso manufacturan una línea de interruptores y cables con un IP67 diseñado para operar directamente en máquinas.

La industria de IT también tiene herramientas para administrar la conectividad y seguridad de sistemas de control y adquisición de datos que usan comunicaciones basadas en Web, como el servidor Web incluido en cada sistema de ejecución LabVIEW Real-Time de National Instruments. Por ejemplo, con herramientas comerciales, puede configurar prioridades de anchos de banda y configurar agrupaciones lógicas en los dispositivos en red a través de VLANs y para seguridad, puede usar herramientas estándar para configurar redes privadas virtuales (VPNs), activar filtros IP, limitar acceso a puertos, y activar el monitoreo de acceso no autorizados.

2. Comunicación simplificada entre máquinas.

En el pasado, los ingenieros construyendo sistemas distribuidos con frecuencia eran forzados a estandarizarse con un vendedor debido a las dificultades de implementación de comunicación máquina-a-máquina (M2M) usando hardware de múltiples vendedores. El problema radicaba en que cada vendedor ofrecía un bus de comunicación específico que a su vez no era soportado por los equipos de otros vendedores. Ahora que las compañías se están estandarizando con Ethernet, es posible conectar múltiples dispositivos en un bus físico. Las siete capas de la arquitectura OSI permiten a Ethernet soportar diferentes protocolos simultáneamente en una conexión física común. En un sólo bus Ethernet, puede tener comunicaciones TCP, FTP, HTTP, y Modbus ocurriendo simultáneamente. Por ejemplo, puede usar el software NI LabVIEW para crear un sistema distribuido que comunique nodos LabVIEW usando una variable compartida, coleccione datos de un PLC Modbus TCP, y lea datos de configuración de un servidor FTP embebido en un objetivo LabVIEW Real-Time. Con las abstracciones de comunicación incorporadas en LabVIEW 8.20, es ahora sencillo soportar numerosos protocolos usando la nueva arquitectura de variable compartida. Por ejemplo, hoy puede agregar el nuevo plano trasero Ethernet cFP-1808  de National Instruments a cualquier sistema basado en LabVIEW y automáticamente relacionar las E/S directamente a la variable compartida que puede ser leída y escrita directamente vía un sencillo ícono en LabVIEW. Adicionalmente, puede automáticamente publicar nuevamente el punto de E/S agregado vía una variable compartida en Windows usando el servidor OPC incluido, permitiendo que la mayoría de los vendedores de control y adquisición de datos los lean. Hay incluso conmutadores disponibles que mapean los datos de E/S de redes como DeviceNet y PROFIBUS directamente en una red Ethernet, haciendo las comunicaciones entre M2M más fácil.

Figura 2. Variables Distribuidas en Red para el Compact FieldPoint-1808

Figura 3. Administrador de Proyecto LabVIEW con Variable Compartida para el Módulo de Termopar del cFP-1808

3. Comunicaciones a la empresa.

Uno de los principales beneficios del Ethernet es la habilidad para comunicarse fácilmente entre máquinas y sistemas corporativos (M2E). La mayor parte de las empresas tienen una red Ethernet existente, típicamente en forma de red de área local. Usuarios comparten una variedad de datos a través de la red, desde reportes a nivel gerencial y datos de administración de la cadena de valor a bases de datos corporativas con acceso a estaciones de trabajo individuales. En aplicaciones como las pruebas al final de la línea en donde se verifica la calidad del producto, es necesario almacenar los datos de las pruebas en una base de datos para su rastreo. Un sistema de adquisición de datos activado por Ethernet puede tener acceso a las bases de datos corporativas a través de interfaces estándar como ODBC, SQL, y ADO. Con esta habilidad, el sistema de E/S Ethernet puede depositar datos adquiridos a bases de datos corporativas donde puede utilizarlas para crear reportes y analizar el desempeño y condición de la planta. Lo mismo ocurre con la conectividad con los sistemas de planeación de recursos empresariales (ERP) como los disponibles por SAP y Oracle. Estos sistemas pueden conectarse directamente con el sistema de adquisición de datos vía Ethernet y pueden usar los datos adquiridos para mejorar la comprensión y visibilidad del desempeño de manufactura y la condición de los recursos. Los sistemas de medición y control Ethernet también pueden tener la habilidad de conectarse a la Web, enviar correos electrónicas, o pasar información usando protocolos de transferencia de archivos. Con los controladores LabVIEW Real-Time, usuarios en red pueden tener acceso directo al servidor Web incorporado a través del buscador Web y monitoreo del estado del dispositivo y los datos adquiridos pueden incluso modificar los parámetros de adquisición a través de la interfase.

4. Ancho de banda

El ancho de banda Ethernet lo hace adecuado para aplicaciones de medición y control. El estándar hoy día es fase Ethernet a 100 Mb/s, y algunos sistemas de medición también están incorporando en Gigabit Ethernet. Sin embargo, la clave para la velocidad del Ethernet es el diseño de la red. Tradicionalmente, las redes Ethernet usaban concentradores para conectar nodos individuales. Un concentrador se conecta físicamente a todos los dispositivos y de manera transparente pasa el paquete Ethernet a todos los dispositivos conectados en el mismo. Debido a que el concentrador transmite nuevamente a todos los nodos, el ancho de banda en red es compartido por todos los dispositivos conectados en él. Es por esto que la red se congestiona cuando otra persona que usa el concentrador descarga un archivo grande o grupo de archivos de otra computadora. En una red con concentradores, dos dispositivos transmitiendo al mismo tiempo causan una colisión en ambos lados y deben esperar un tiempo indefinido para transmitir los datos nuevamente. Este proceso se conoce como Sensor de Carga de Acceso Múltiple con Colisión (CSMA/CD). Cuando un nodo está en red donde pueden ocurrir colisiones, el dispositivo debe trasmitir y escuchar colisiones de manera recurrente. Debido a que el dispositivo siempre escucha una colisión en red con un concentrador, no puede recibir y enviar datos simultáneamente. Este tipo de red se conoce como red half-duplex.

Uno de los avances más importantes en redes Ethernet contemporáneas es el uso de Ethernet conmutado. Un conmutador (o switch) Ethernet mantiene una tabla de acceso de las direcciones MAC de los dispositivos conectados a cada puerto. Cuando un conmutador recibe un paquete Ethernet, compara el destino en la dirección MAC con la dirección MAC almacenada en la tabla interna y después conecta a los dos puertos. En una red que consiste completamente en conmutadores, cada nodo tiene puertos de comunicación dedicados y el conmutador administra la conexión entre nodos. Si dos dispositivos intentan comunicarse al mismo nodo, uno de los conmutadores enviará una señal para evitar colisiones. Una red con conmutadores elimina la posibilidad de colisiones y permite a los nodos individuales operar en un modo compartido donde ambos transmiten y reciben datos al mismo tiempo, doblando el ancho de banda total. Adicionalmente, debido a que el conmutador puede realizar conexiones múltiples, el ancho de banda en red no es compartido por todos los dispositivos.

Al compararse con redes en serie tradicionales, las mejoras a la velocidad del Ethernet resultan aparentes. En una aplicación de desechos de agua, una red en serie tradicional 485 fue considerada para un sistema de adquisición y control de datos. Debido a que los sistemas RS485 tienen una tasa de transferencia de datos lenta, el sistema es especificado para lograr una actualización de cada estación una vez cada 10 minutos. Cuando la ciudad examinó las propuestas, decidieron instalar el sistema Ethernet en vez de un sistema basado en series. Esto no sólo dio a la ciudad un mayor margen de ancho de banda, también ayudó a la implementación un protocolo de manejo de eventos donde cada estación actualizaba la estación principal de control cuando los datos cambiaran o se salieran de los límites. Es sistema resultante logra actualizaciones instantáneas de cada estación para que el operador sepa el estado en tiempo real de cada nodo en la red.

Adopción de Ethernet para Redes Industriales

Ethernet continúa ganando aceptación en aplicaciones de medición y control distribuidas debido a su bajo costo, operación entre dispositivos, comunicación con la empresa y un mayor ancho de banda. Viendo al futuro, la tendencia que más afecta el futuro Ethernet es el Ethernet determinístico para aplicaciones que requieren de gran sincronización y transferencia de datos entre nodos. En las redes Ethernet estándar, las colisiones en las redes de los concentradores introducen variaciones, los conmutadores de red introducen retraso de propagación, y nodos individuales introducen retrasos. Éstos causan problemas para cualquier sistema basado en tiempo incluyendo las aplicaciones de control. Existe un gran número de estándares en Ethernet introducidos para proporcionar diferentes niveles de determinismo incluyendo EtherNET/IP (ODVA), PROFINET (Siemens), EtherCAT (Grupo Tecnológico EtherCAT), Ethernet POWERLINK, y SERCOS-III (IGS). Cada protocolo ofrece diferentes niveles de desempeño y costo pero generalmente requieren que todos los nodos en el segmento Ethernet soporten el protocolo. Afortunadamente las abstracciones de software de LabVIEW, como la variable compartida, hacen posible que se elija el mejor bus de comunicación para sus aplicaciones de medición y control.

Anuncios




CCD vs. CMOS

1 04 2012

Actualmente existen dos tecnologías para la fabricación de sensores destinados a las cámaras digitales: los CCD (Charge Coupled Device o Dispositivo de Cargas Acopladas), que fueron los primeros en aparecer en el mercado, y los más recientes CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – Semiconductor de Óxido de Metal Complementario.
Tanto los sensores CCD como los CMOS están fabricados con materiales semiconductores, concretamente de Metal-Óxido (MOS) y están estructurados en forma de una matriz, con filas y columnas. Funcionan al acumular una carga eléctrica en cada celda de esta matriz (a la que llamaremos pixel) en proporción a la intensidad de la luz que incide sobre ella localmente. A mayor intensidad luminosa, mayor carga acumulada.
No obstante estas similitudes, existen diferencias notables entre ambas tecnologías, como veremos a lo largo de este artículo, en el que también compararemos una con otra.
Webcam con sensor CMOS. Webcam con sensor CMOS.
El CCD convierte finalmente estas cargas en voltajes y entrega una señal analógica a su salida, que debe ser digitalizada y procesada por la circuiteria de la cámara. Una forma de entender como funcionan es imaginarse al sensor como un arreglo (matricial) en dos dimensiones con miles (o millones) de celdas solares en miniatura, donde cada una de las celdas convierte la luz de una pequeña porción de la imagen (un píxel) en electrones. Lo siguiente es realizar la lectura del valor correspondiente a cada una de las celdas. En un sensor CCD, la información de cada una de las celdas es enviada a través del chip hacia una de las esquinas del arreglo, y ahí un convertidor análogo a digital traduce el valor de cada una de las celdas. De esta manera, se mantiene simple la estructura del sensor, a costa de la necesidad de una circuiteria adicional importante que se encargue del tratamiento de los datos recogidos por el.

  • Modelo de sensor CCD. Modelo de sensor CCD.
  • Fotografia del cielo obtenida con un sensor CCD. Fotografia del cielo obtenida con un sensor CCD.

Al contrario que en los sensores de tecnología CCD, las celdas de la matriz CMOS son totalmente independientes de sus vecinas. La principal diferencia radica en que en estos sensores la digitalización se realiza píxel a píxel dentro del mismo sensor, por lo que la circuiteria accesoria al sensor es mucho más sencilla. En cada celda de una matriz CMOS encontraremos varios transistores, conformando cada uno de los pixeles del sensor, que amplifican y procesan la información recogida. Esta manera de efectuar la lectura de la imagen es más flexible, ya que cada pixel se lee de manera individual.
  • Sensor de imagen Sony, CMOS. Sensor de imagen Sony, CMOS.
  • Videocamara con sensor CMOS. Videocamara con sensor CMOS.

La primera diferencia, y en la más obvia, es el precio. En general, los sensores CMOS tienden a ser más económicos que los CCD.
Por supuesto, no se puede comparar una tecnología con otra solamente basándonos en su costo, por lo que es necesario tener en cuenta otros factores, como ser:

Responsividad: Se define con este término al nivel de señal que es capaz de ofrecer el sensor por cada unidad de energía óptica incidente. Dado que nos interesa que el sensor tenga una responsividad elevada, se necesita que con poca cantidad de luz nos de una señal aceptable. Con esto en mente, podemos ver que los sensores CMOS son superiores a los de tecnología CCD, debido a que integra elementos amplificadores en cada celda. Además el sistema de construcción CMOS permite una alta amplificación con un bajo consumo, mientras que en CCD la amplificación al ser externa al sensor supone un consumo mas elevado.

Rango Dinámico: (RD) Es el cociente entre el nivel de saturación de los píxeles y el umbral por debajo del cual no captan señal. En este aspecto CCD supera a CMOS en un factor de dos, dado que en la actualidad el RD de un sensor CCD es típicamente del doble que el de un CMOS.

Ruido: Los sensores CCD aventajan a los de tecnología CMOS en este apartado, ya que debido a su construcción todo el procesado de señal se da fuera del CCD, con lo que se podrá aprovechar la mejor tecnología disponible en convertidores A/D, pudiendo elegir los mas rápidos o mejores procesadores. Por su parte, los CMOS al realizar la gran mayoría de las funciones dentro del sensor (amplificación, conversión A/D, etc.) destinan menos espacio para los fotodiodos encargados de recoger la luz, por lo que se produce mas ruidos en la lectura.

Respuesta Uniforme: Idealmente se espera que un píxel sometido al mismo nivel de excitación de luz que sus vecinos no presente cambios apreciables respecto de ellos. En este aspecto la individualidad de cada píxel de un sensor CMOS los hace más sensibles a sufrir fallos, siendo mayor la uniformidad en CCD. No obstante mediante la adición de circuitos con realimentación se ha conseguido subsanar en gran medida este problema, aunque los CCD siguen ostentando una ligera ventaja.

Velocidad: Si nos concentramos en la velocidad con la que se captura la imagen, veremos que los CMOS son bastante superiores a los CCD, debido a que muchas funciones, como la propia conversión analógico-digital son realizadas en el propio sensor. Si bien por el momento esta ventaja es ligera, se espera que aumente con el tiempo.

Blooming: Esta palabra define el fenómeno por el cual un píxel que ha alcanzado la saturación empieza a saturar a sus vecinos, creando efectos y patrones no deseados. Esto se da principalmente en sensores CCD, que necesitan de algunos trucos de construcción para evitarlos. En cambio, gracias a su construcción los sensores CMOS no sufren de este defecto.

Spycam, con un pequeño sensor CCD. Spycam, con un pequeño sensor CCD.

Sin embargo, CMOS es superior en la escala de integración y por su bajo consumo, aunque verde algo de calidad imagen en situaciones de poca luz. Esta situación no debe hacernos concluir que un CCD de una cámara compacta de calidad media es superior en calidad de imagen a un CMOS de alta gama, dado que lógicamente a mismo tamaño de sensor esta diferencia se diluye, y los sensores CCD obtienen mejores calidades con sensores más grandes. Los sensores CCD llevan mucho más tiempo en el mercado, por ello es que son un producto más maduro, y tienden a tener una mayor calidad y más pixeles. Por todo esto se puede ver que los sensores CCD son usados en cámaras que tienden a tener una mejor calidad con muchos pixeles y una gran sensibilidad a la luz. Pero los sensores CMOS están mejorando continuamente y se encuentran en un punto en el cual están por conseguir la misma calidad que los sensores CCD. Como en tantos otros casos, no hay una tecnología superior de por sí, sino situaciones en las que cada tecnología es mas adecuada.








A %d blogueros les gusta esto: