Sistemas de Control Automático

A partir de la definición de la palabra "Automático(a)" tomamos algunos puntos importantes para dividir nuestro boletín de este mes en dos partes:
La primera en la que escribiremos acerca de la importancia de estos sistemas; de acuerdo a la definición estamos tratado de sustituir en un proceso al ser humano por dispositivos mecánicos o electrónicos.
Esta no es una tarea sencilla ya que el ser humano por su capacidad de razonamiento puede tomar decisiones de alto grado deducidos por la captación de alguna condición externa a través de sus sentidos, (Olfato, Oído, Gusto, Vista y Tacto) complicando la ecuación si agregamos a estas variables de entrada algunos aspectos propios del ser humano como son la memoria, la experiencia y la intuición.
Vemos así que aun con los avances tecnológicos que tenemos en este siglo no ha sido posible reemplazar por completo al ser humano. Si bien es cierto que hay avances en los que se ha logrado simular algunos o varios de los sentidos con los que contamos también sabemos que dichos sistemas son de un alto costo por ser sistemas experimentales.
De aquí partimos para tomar la segunda parte de nuestro escrito el cual se basa en el balance de las ventajas y desventajas para tomar la decisión de automatizar un proceso.
En teoría cualquier proceso es "automatizable", pero el controlar automáticamente el proceso implica un costo y este costo debe ser estudiado para ver si ofrece ventajas sobre la situación actual del proceso.
Decidir controlar un proceso debe ser evaluado y deberá definirse claramente si una vez automatizado garantizará que será más económico. En algunas ocasiones la inversión puede ser (aparentemente) alta pero al cabo de un periodo de amortización el sistema se pagará por sí solo.
Finalizamos concentrando los dos aspectos en un punto medular de la Automatización: Donde se juntan ambas partes de nuestro análisis definimos/decidimos si el sistema de control será capaz de llevar a cabo la tarea efectivamente a un costo efectivo. Si es así nuestro primer paso al control automático ha sido dado.

Del Puerto Serial al Fire Wire

En el mundo de las comunicaciones, especialmente en el área de transferencia de datos hemos tenido grandes avances en los últimos 40 años.
En la década de los 70's y hasta la década de los 80's pudimos ver el inicio de la transferencia de datos electrónicos con dos formas distintas entre las que destacaron y se mantuvieron activos por mucho tiempo: El Puerto Paralelo y El Puerto Serial. El puerto Serial era comúnmente utilizado en las computadoras para trasferir datos entre diversos equipos y sus aplicaciones estaban enfocadas al uso de teclado, ratón, modem y algunos otros accesorios; a su vez El Puerto Paralelo se utilizaba para transferencia de datos hacia impresoras principalmente, sin embargo su uso podía ser extendido a puertos de juegos, comunicación entre discos duros y/o controladores de Discos Compactos.
Por su facilidad de uso algunas aplicaciones particulares aún continúan utilizando estos protocolos de comunicación sin embargo han sido eliminados paulatinamente del mercado de las computadores personales.
En la década de los 90's vimos la llegada del USB (por sus siglas en inglés Universal Serial Bus) que viene a reemplazar la mayoría de aplicaciones que El Puerto Serial y Paralelo tenían hasta ese entonces en las computadoras. Con una capacidad de transferencia de 12Mb por segundo el USB rápidamente creció en fama para dar pie a principio del año 2000 a su segunda versión mejorada USB 2.0 con una capacidad de transmisión de datos de hasta 480Mb por segundo.
Una de las ventajas que ofrece el USB es la facilidad de generar conexiones en forma de árbol en donde se pueden conectar hasta 127 equipos diferentes a un solo controlador.
Con la llegada del IEEE 1394 (mejor conocido como Fire Wire, iLink o Lynx) damos paso a una nueva etapa. Con las pruebas iniciales del Fire Wire 400 en 1995 y la del Fire Wire 800 en el 2002 se pudo alcanzar una transmisión de hasta 786 Mb por segundo y tener ventajas como la utilización de menos recursos del controlador. Es por esto que algunos esfuerzos se están realizando al momento para desarrollar nuevas versiones que incluirán transmisión de fibra óptica en modo sencillo.
Actualmente con Fire Wire se han alcanzado velocidades mayores a 800Mb por segundo y aunque aun no se han difundido comercialmente se están preparando para competir con la versión USB 3.0 (que ya se encuentra en pruebas finales) en un encuentro que se realizará entre 3.2Gb y 6.4Gb por segundo esperando sea el 2010 el año de encuentro.

Microcontroladores

Si uno revisa algunos libros o páginas en internet se puede encontrar información suficiente para poder definir que es un micro controlador, como se fabrican, que capacidades tienen, entre muchas otras características.
Para nuestro interés y siguiendo la línea de lo que FIX ingeniería quiere transmitir en este artículo nos enfocaremos a motivar al lector a buscar razones de peso y aplicaciones concretas de estos diminutos componentes.
Por ser un tema muy específico pensamos que las personas que están buscando información al respecto deben estar familiarizadas con el caso, algunos otros quizá estarán buscando tan solo completar una tarea escolar. De antemano comentamos que nuestro enfoque va hacia la razón de ser de los micro controladores. Regresemos algunos años en el tiempo para tratar de identificar cuáles fueron las posibles razones del nacimiento de diversas aplicaciones que utilizan micro controladores.

La simplificación de tareas:
- Es más sencillo apretar un botón de una licuadora que moler algunos ingredientes de forma mecánica.
- Es más sencillo apretar un botón de la lavadora que pasar horas lavando a mano la ropa de la familia.
Desarrollo de Tecnología:
- Es más sencillo realizar cálculos, operaciones, diseños, etc. utilizando una computadora.
- Es más práctico guardar información en una memoria electrónica que llevar cientos de libros.

El beneficio del hombre:
Del latín beneficĭum => Beneficiar => Hacer el Bien => Aquello que en sí mismo tiene el complemento de la perfección en su propio género. En la teoría de los valores, la realidad que posee un valor positivo y por ello es estimable.
Muchos de estos aspectos han sido presa de la mercadotecnia en donde ahora se libra una batalla donde se ofrece el artículo más bonito, mas nuevo o mas aerodinámico y los medios de comunicación con válidos puntos comerciales han generado más "necesidades" al ser humano dejando de lado el verdadero beneficio.
Invitamos al diseñador responsable a utilizar este pequeño medio (el micro controlador) para generar un verdadero beneficio al hombre sin limitarse a un beneficio económico propio.

Ahorro de Energía

Generalmente los escritos referentes a este tema relacionan el ahorro de energía con ahorro de luz, apagar luces, cambiar focos, etc. pero la frase es un poco más compleja.

Si bien es cierto que la mayoría de nuevas tecnologías y productos de vanguardia van enfocadas al ahorro de electricidad, o aun mejor al aprovechamiento eficiente de la misma, también podemos hablar de otras formas "menos comunes" de ahorrar energía.

Es de suma importancia para el ingeniero moderno, interesado en obtener el mayor beneficio de un diseño, tener una idea clara de lo que significa esta pequeña frase.

La palabra energía, proveniente del latín energīa y del griego ἐνέργεια se refiere a la eficacia, poder o capacidad de realizar un trabajo; de aquí se derivan algunos estudios de la energía dentro de los que podemos mencionar la energía eléctrica, atómica, potencial, cinética, térmica, química, entre otras. Cada una de estas formas de energía se estudian con la finalidad de identificar sus características y poder así encontrar nuevas formas o formas más eficientes de su aprovechamiento.

Si bien la energía eléctrica es quizá la más utilizada en la vida cotidiana no podemos olvidar que los avances tecnológicos se han desarrollado en todas las áreas brindando grandes beneficios a la humanidad.

No pretendemos en este breve escrito explicar física o matemáticamente cada una de las características pero si podemos mencionar generalidades de algunas de ellas que nos ayudaran a entender de mejor manera a que se refieren:

Energía eléctrica. El trabajo que realiza es el movimiento de electrones de un lado a otro a través de un conductor. Los electrones se desplazan de manera similar al agua a través de una manguera; si se cierra un circuito comienza un flujo de electrones formando una corriente.

Energía cinética: Es la energía que se genera a partir del movimiento de un cuerpo. Se requiere un trabajo para mover un cuerpo que está en reposo; una vez comenzado el movimiento del cuerpo este no se detendrá a menos que se le aplique una fuerza en sentido contrario.

Energía térmica: Esta energía se genera por el movimiento de las partículas que constituyen la materia. La energía térmica es la resultante de sumar todas las energías mecánicas asociadas a los movimientos de las diferentes partículas que lo componen y la unidad de energía térmica es el calor.

Evaluación de Proyectos

Para realizar una evaluación de proyectos es necesario tener una idea clara de la cosas que se van a realizar o saber a la perfección lo que se va a hacer. El proyecto es en sí el pensamiento (imaginar, considerar, reflexionar) de ejecutar algo.

Sin este previo entendimiento nos será muy difícil darle valor a las cosas (evaluar); este valor esta dado por el grado de utilidad o aptitud del proyecto para satisfacer una cierta necesidad o proporcionar un bienestar.

(Aquí quiero hacer hincapié en que la evaluación se realiza para valorar un bienestar)

En evaluación de proyectos de Ingeniería podemos seguir diferentes procesos para obtener una calificación y determinar si un proyecto tiene las cualidades para cumplir con el fin para el cual fue creado (confiabilidad), si se puede llevar a cabo (viabilidad), si puede lograr el efecto que se desea (eficacia), si puede aprovecharse (benéfico-útil).

Todas estas características determinan si un proyecto se lleva a cabo o no; podemos enlistar algunos puntos técnicos que G.B. Urbina menciona en alguna de sus publicaciones:

 Estudio de mercado

 Estudio técnico

 Estudio económico

 Evaluación económica

 Administración del riesgo

Todas ellas pueden ser estudiadas a detalle, inclusive algunos aspectos son tomados como base para estudios de Maestría y Doctorados a nivel mundial.

Pero una parte importante que se está dejando de lado por parte de los desarrolladores es el aprovechamiento. Retomo la parte del beneficio para puntualizar la responsabilidad que a mi forma de ver se debe adquirir al evaluar los proyectos:

Muchos proyectos de ingeniería en la actualidad se ven envueltos en el manto de la mercadotecnia, creando de esta forma lo que en lo personal etiqueto como "necesidades ficticias" las cuales requieren de un producto y no un proyecto.

El producto puede ser viable, confiable y eficaz, pero existe un vacío entre producto y proyecto por el simple hecho de que el primero puede no ser benéfico o útil. ¿Qué es lo que desarrollamos en este tiempo? y ¿Qué beneficio estamos heredando a la humanidad?

El Análisis Matemático

Una de las razones por las que a muchas personas se les puede complicar el estudio de las matemáticas se debe a que la matemática estudia las propiedades de entes abstractos como números, figuras geométricas o símbolos y al mismo tiempo estudia las relaciones entre sí.

En si la definición misma crea confusión, al mencionar "propiedades de un ente abstracto" damos por hecho que es algo que es, existe o puede existir sin embargo no tiene una realidad propia.

Sin entrar en detalles filosóficos veamos de forma simplista que los números se han creado como representaciones de algo. En el caso de las operaciones básicas (suma, resta, multiplicación, división) se utiliza una representación para reunir o separar cantidades que pertenecen a un mismo género; la complicación puede comenzar cuando queremos reunir o separar cantidades de géneros diferentes. ¿Cómo entender esta posibilidad?

Para entender o simplificar el entendimiento al realizar un análisis matemático debemos "imaginar" puntos, rectas, triángulos y diversas forma geométricas similares a las existentes en la naturaleza para lograr un acercamiento con la naturaleza misma.

El análisis matemático consiste en "crear diversas imágenes ficticias en el aire", mover esos puntos en el espacio reuniendo o separando cantidades y formas. De esta manera logramos generar o entender las ecuaciones y fórmulas que nos acercan al comportamiento de un objeto particular que si pertenece a la naturaleza.

Por tal motivo las matemáticas juegan un papel importante en el desarrollo de la ciencia; diversos modelos de situaciones reales se estudian y analizan en su "mundo abstracto" observando posibles soluciones para traer posteriormente en fórmulas, teoremas o principios matemáticos al "mundo real" un comportamiento general que nos ayudará a entender la condiciones naturales del objeto en estudio.

Al obtener fórmulas concretas que podemos hacer "universales" solo nos resta modificar las variables en el mundo real para obtener los resultados deseados. Por su naturaleza abstracta las matemáticas en ocasiones "suponen" algunos ideales que con el tiempo se van perfeccionando a través de nuevos análisis matemáticos.

En si la combinación ideal para realizar un buen análisis matemático depende de cada persona, no de su capacidad pero si de su disposición.

Mapas de Karnaugh

Como parte del estudio del nuevo lenguaje universal (sistema binario) los Mapas de Karnaugh nos ayudan a simplificar funciones de algebra booleana.

Ya algunos lectores han observado que nuestros artículos más que pretender explicar una forma o técnica para solución de problemas tratan acerca del ¿Por qué? de las cosas; este artículo no será la excepción.

Para entender el funcionamiento de los Mapas es necesario enfocar nuestra atención a la parte de la lógica binaria donde 1's y 0's son utilizados como funciones de un sistema. Verdadero o Falso, Activo o Inactivo, Encendido o Apagado; este es un sistema muy sencillo de utilizar y sobretodo de entender, no hay puntos intermedios, es SI o NO. Sin embargo con la complejidad de un sistema se da de igual forma una complejidad en la interpretación.

La complejidad viene dada por nuestro sistema, en el que podemos tener diversas entradas y las diferentes combinaciones de ellas nos entregan diversos resultados. Más interesante aún cuando queremos forzar ciertos resultados dependiendo de las diversas entradas.

Recordemos de nuestro boletín de El Análisis Matemático que esto es un juego y hay que entender las reglas. El Álgebra Booleana, llamada así en honor del matemático Inglés, utiliza técnicas para "jugar" con los 1's y 0's y de esta forma realizar operaciones donde obtenemos resultados (SALIDAS) en base a los diferentes valores que se dan al sistema (ENTRADAS).

Con el álgebra booleana somos capaces de analizar matemáticamente nuestros sistemas y detectar que resultados nos da cada función y que funciones son las que nos otorgan los resultados deseados.

En ocasiones tendremos que los resultados obtenidos al realizar las operaciones booleanas son extensos y quizá complicados para su implementación. Los Mapas de Karnaugh nos ayudan a reducir estas expresiones algebraicas para poder resolver un problema de manera más eficiente.

Ahora sí, conociendo el objetivo del juego estamos listos para buscar las técnicas y entender a detalle a donde queremos llegar. A esto le podríamos llamar capacidad para generar Mapas de Karnaugh.

Reguladores de Voltaje

En electrónica digital la mayor parte de los dispositivos requieren voltajes de CD para operar. A pesar de que las baterías son una buen fuente de energía tienen limitaciones en cuanto al tiempo de uso.

La fuente de alimentación eléctrica más sencilla que podemos obtener en algunos casos es el contacto en la pared, esta fuente de alimentación es en el mayor de los casos Corriente Alterna (AC por sus siglas en inglés) y para nuestros propósitos de uso en aplicaciones digitales normalmente tendremos que convertirla en Corriente Directa (CD).

Si bien es importante obtener una fuente de CD, es aún más importante que esta fuente sea confiable y estable, de lo contrario nuestros circuitos no funcionarán o estarán limitados.

Es posible construir un regulador de voltaje con componentes como amplificadores, diodos, resistencias, entre otros, sin embargo en la actualidad contamos con una infinidad de circuitos integrados en los que podemos confiar nuestros diseños. Las desventajas de usar fuentes no reguladas o creadas en base a amplificadores operacionales es que pueden inducir "ruido" en la señal afectando de esta forma nuestros circuitos.

El sistema binario simplificará nuestras tareas al utilizar CD, recordemos que el uso de 1's y 0's es la base de dicho sistema y un componente activara o desactivara una entrada o salida usando un cierto voltaje como señal de disparo. (Mostrado en la figura como 1.7V).

En nuestro ejemplo vemos como al pasar el voltaje por encima de 1.7 V nuestro circuito "dispara" un 1 lógico que se mantiene hasta que nuestro voltaje baja de 0.9 V donde un 0 lógico es el resultado.

La importancia de nuestra fuente regulada de voltaje toma mayor importancia cuando manejamos voltajes cercanos al límite de disparo; inducción de ruido o picos de voltaje pueden proporcionar efectos no deseados en nuestros circuitos.

Como ya mencionamos hay diversos circuitos integrados que nos ayudarán a obtener fuentes reguladas confiables para nuestros diseños. De nuestra aplicación depende cual s el más adecuado.

Convertidores RS232-USB

Hoy en día existen situaciones donde es necesario convertir, o bien, emular un puerto serie RS232 a partir de un puerto USB. Esto se debe a que muchas de las computadoras modernas no incluyen el puerto serie, ya que para aplicaciones informáticas se considera obsoleto. Sin embargo existen muchas aplicaciones en electrónica donde resulta muy conveniente usar el protocolo RS232 para el intercambio de información y la PC resulta la interface más conveniente.

En las comunicaciones seriales usando la norma RS232 se debe tomar en cuenta que la recepción de un dato ocurre de manera asíncrona, es decir, puede ocurrir en cualquier momento. El hardware de la computadora se encarga de interrumpir cualquier proceso que esté en ejecución cuando un nuevo dato llega al puerto.

RS232 es una definición de comunicación en serie sobre una base 1:1. RS232 define la capa de interfaz, pero no la capa de aplicación. Para utilizar RS232 en una situación concreta la aplicación del software debe estar escrita en los dispositivos en ambos extremos del cable de conexión RS232.

USB por otro lado es un sistema de bus que permite que más de un periférico se conecte a un ordenador host a través de un puerto.

La norma no sólo describe las propiedades físicas de la interfaz, sino también los protocolos que se utilizarán. Debido a los requisitos complejos del protocolo USB, la comunicación con los puertos USB de la computadora se realiza siempre a través de un controlador de dispositivo.

Es fácil ver de dónde surgen los problemas:

Los desarrolladores tienen mucha libertad en lo que se refiere a la definición de comunicaciones RS-232 y los puertos son a menudo directamente, o casi directamente accesibles en el programa de aplicación. (Configuración de bits de datos como velocidad de transmisión, de hardware y software, de control de flujo, etc.)

La interfaz USB no da esta flexibilidad. Sin embargo, cuando un puerto RS232 se utiliza a través de un convertidor de USB a RS232, esta flexibilidad debe estar presente de alguna manera.

Durante Octubre, Noviembre y Diciembre del 2010 se realizó la traducción del Manual de Microcontrolador Propeller y del Kit Educativo Propeller. Lo invitamos a revisar el documento:

Manual del Microcontrolador Propeller

Kit Educativo Propeller

Durante Octubre, Noviembre y Diciembre del 2010 se realizó la traducción del Manual de Microcontrolador Propeller y del Kit Educativo Propeller. Lo invitamos a revisar el documento:

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Kit Educativo Propeller

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