Puertas análogas? digitales? señales? Ayuda por favor, no entiendo nada!!!

Es bien sabido que los técnicos, y especialmente los que nos comunicamos con máquinas, a veces (¿a veces?) perdemos la perspectiva y nos lanzamos a hablar dando por descontado que todos conocen los términos que estamos usando, hasta que nos damos cuenta que hace rato nuestro interlocutor está haciendo un gran esfuerzo por no salir huyendo despavorido. 

Y esto no se debe a que los conceptos utilizados sean complejos (normalmente no lo son), sino que simplemente nuestro sufrido interlocutor no los conoce y nadie se ha dado el tiempo de explicárselos.

En esta publicación trataremos de subsanar este problema. Para ello comenzaremos por donde corresponde, es decir, por el principio.

Variables: el objeto de nuestras mediciones.

M2M tiene que ver con medir remotamente fenómenos y procesos que nos interesan para mejorar el funcionamiento de nuestra empresa. A estas mediciones las llamaremos variables, y pueden ser de una naturaleza muy diversa. Por ejemplo, una viña puede medir la temperatura y humedad en la época de brote para detectar riesgo de heladas y reaccionar a tiempo. Una distribuidora de agua puede medir el nivel de sus estanques, las presiones en la red de distribución y las horas de funcionamiento de las bombas en las tomas de aducción para optimizar sus procesos y reducir costos.

Para facilitar su comprensión clasificaremos las variables en grupos. Como toda clasificación, esta es arbitraria y perfectible, pero creemos que servirá a nuestro propósito:

• Variables análogas o analógicas: corresponden a mediciones que pueden variar de valor en forma continuada, normalmente dentro de un rango. Por ejemplo: la temperatura o el nivel de un estanque.
• Variables digitales o de estados binarios: corresponden a mediciones que pueden tener solo dos valores. Por ejemplo: un interruptor puede estar conectado o desconectado, una puerta puede estar abierta o cerrada.
• Variables de estados múltiples: corresponden normalmente a condiciones de operación de maquinarias y pueden tomar valores dentro de una lista de estados posibles. Por ejemplo: una grúa puede estar apagada, en ralentí, en movimiento con carga, en movimiento sin carga, etc.
• Variables de pulsos: pertenecen a un caso especial de variables digitales, que cambian de estado por lapsos muy breves de forma relativamente periódica. Ejemplo: un medidor de agua puede entregar un pulso por cada litro de agua que fluya, de forma que al contar los pulsos podemos determinar la cantidad de agua entregada.

Sensores: la forma física de leer las variables.

La lectura de las variables la conseguimos mediante dispositivos denominados sensores que "leen" el fenómeno físico y lo transforman en una señal eléctrica que refleja la medición.

Los sensores pueden ser dispositivos muy simples, como un flotador conectado a un interruptor, que cierra el interruptor cuando el nivel de líquido de un estanque sobrepasa cierto nivel, o muy complejos, como un sensor de nivel de estanque que utiliza ultrasonido para determinar la altura de la superficie del líquido al interior del estanque. 

En el caso del sensor de flotador, la variable medida es del tipo digital: cuando el nivel de agua está bajo el limite el interruptor está abierto y cuando el agua supera el límite el interruptor está cerrado. Esta información puede parecer muy básica, pero es suficiente para decidir la detención de la bomba que está llenando el estanque y así evitar que se rebalse.

Normalmente los sensores son una parte muy importante de un sistema M2M por dos razones principales:

• La calidad de la medición que entregan puede ser crítica para el proceso que queremos gestionar. Por ejemplo, un sensor de temperatura que mida con una precisión de + - 2 grados puede ser adecuado para monitorear un horno con temperaturas de varios cientos de grados, pero es inservible para la detección precisa de condiciones de helada en una viña.
• El costo de los sensores puede ser un factor crucial al momento de decidir por una inversión en un proyecto de M2M. Hay sensores que cuestan solo unos pocos dólares y otros que pueden costar varios miles.

Puertas: cómo el sistema M2M captura las variables medidas.

Los sensores entregan señales eléctricas que reflejan la variable medida. Estas señales deben ser incorporadas al sistema M2M y eso normalmente se hace a través de puertas.

Las puertas a usar dependen del tipo de variable que se desea captar, de forma tal que:

• Para las variables análogas se utiliza puertas análogas.
• Para las variables digitales binarias se utiliza puertas digitales.
• Para las variables de múltiples estados se utilizan múltiples puertas digitales.
• Para las variables de pulsos se utiliza puertas digitales con capacidad de contar pulsos.

Las puertas reciben la señal eléctrica del sensor y la convierten en un valor numérico, para que sea manejado por el sistem M2M. En el caso de las variables análogas, son convertidas a números enteros y decimales (ej: temperatura = 23.7 grados), las variables digitales son normalmente convertidas a unos y ceros (ej: 0=interruptor cerrado, 1=interruptor abierto) y las de pulsos son convertidas en números enteros que llevan la cuenta de los pulsos leídos.

Tipos de puertas análogas.

Los puertas análogas más frecuentemente usadas son las denominadas de voltaje y de corriente.

Las puertas de voltaje convierten el voltaje entregado por el sensor en un número que corresponde a la medición realizada. Por ejemplo, un sensor de temperatura puede entregar 0 volts cuando mide 0 grados Celsius y 5 volts cuando mide 100 grados. De esta forma cuando el sensor entregue 4 volts estará indicando que hay una temperatura de 80 grados.

Las puertas de corriente funcionan de forma similar a las de voltaje, pero normalmente el rango de corriente va desde 4 hasta 20 miliamperes. Un sensor de temperatura puede entregar 4 miliamperes cuando mide 0 grados Celsius y 20 miliamperes cuando mide 100 grados. De esta forma, si el sensor entrega 12 miliamperes (punto medio entre 4 y 20) indica que está leyendo una temperatura de 50 grados.

Una de las ventajas de las puertas de corriente con señales de 4 a 20 miliamperes es que si se corta un cable del sensor, la corriente bajará a cero, saliendo del rango de medición, lo que permite al sistema M2M detectar el corte del cable, generando el aviso correspondiente y descartando el valor leído. Esto no ocurre en el caso de las puertas de voltaje ya que una señal de cero volts está dentro del rango válido de medición.

Tipos de puertas digitales.

Las puertas digitales también se agrupan en dos tipos: de voltaje y de "contacto seco".

Las puertas digitales de voltaje leen un voltaje y lo comparan con un valor de referencia, para decidir si la variable corresponde a un estado lógico cero (cuando el voltaje está bajo la referencia) o un estado lógico uno (cuando el voltaje es igual o mayor a la referencia). Por ejemplo, una puerta con nivel de referencia de 2 volts interpretará cualquier voltaje bajo 2 volts como un estado lógico cero y todo voltaje igual o superior a 2 volts como un estado lógico uno.

Las puertas digitales de contacto seco no leen voltajes, sino que detectan si tienen conectado un interruptor abierto o cerrado. Si el interruptor está abierto, lo interpretan como un estado lógico uno y si el interruptor está cerrado, lo interpretan como estado lógico cero.

A todo ésto, ¿qué es un estado lógico uno y un estado lógico cero?. Simplemente es la representación del fenómeno que estamos monitoreando. En el ejemplo del flotador mencionado más arriba, el interruptor se cerraba cuando el agua sobrepasaba cierto nivel. En otras palabras, el interruptor cerrado (estado lógico cero) corresponde a estanque lleno (o a punto de llenarse).

Espero que hayan aprendido sobre este tema de forma entretenida. La semana que viene conversaremos sobre otra manera de integrar información a los sistemas M2M: puertas RS232, RS485 y protocolos de datos.

Recuerden que sus comentarios, ideas y aportes serán muy bienvenidos. Hasta la próxima semana.