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Deteccion anticipada de flancos solidos en presencia de rebotes para programacion bajo el estandar IEC 61131-3.

Solid-flank anticipated detection in the presence of bounce according to the programming standard IEC 61131-3

1. INTRODUCCION

El filtrado de senales con presencia de rebotes es un procedimiento normal en el diseno y validacion de sistemas digitales. Frecuentemente se aborda este objetivo con el empleo de biestables, que mediante una senal de sincronismo de frecuencia adecuada (normalmente baja), hacen sensible un sistema a los cambios en una senal de entrada, unicamente a ciertos intervalos de tiempo. Los intervalos son suficientes para considerar que la senal alcanza un estado estable durante este periodo de tiempo.

En la automatizacion industrial, las senales de entrada pueden ser de diversa naturaleza, las cuales pueden ir desde el rango AC al DC, desde voltajes bajos hasta incluso cerca de los 400V, y en el caso de las senales AC en amplios rangos de frecuencia. Las entradas digitales de los PLC no son normalmente filtradas por rebotes, ya que se deben ajustar al tipo de aplicacion particular. El filtrado por rebotes en los PLC se realiza normalmente por temporizadores que realizan una accion similar a la de los biestables en los sistemas digitales. Sin embargo, en ciertas aplicaciones, donde el tiempo de respuesta a cierta accion es fundamental, se hace necesario responder lo antes posible ante un cambio de estado en las senales de entrada, pero conservando la posibilidad de filtrar rebotes.

En salas de alta seguridad con sistemas de control y seguimiento a los accesos, se presenta una situacion como la descrita previamente, donde mediante el uso de sensores en las puertas de acceso se hace seguimiento, y aunque estos sensores pueden estar sometidos a rebotes, igualmente es frecuente tener aperturas o cierres con transiciones limpias o solidas (transiciones donde no se presentan rebotes) que con el objetivo de tener un seguimiento lo mas cercano en tiempo a los eventos reales se hace necesario detectarlos rapidamente, incluso si el tiempo de filtrado de la senal no ha concluido. Ademas, en este tipo de aplicacion tambien es frecuente la presencia de rebotes por vibraciones externas, donde aunque el sensor detecta una variacion la puerta vibra y conserva finalmente el estado actual; lo anterior se presenta, por ejemplo, cuando por el transito de vehiculos pesados una puerta vibra pero su estado se conserva, o cuando un objeto de cualquier naturaleza impacta momentaneamente con la puerta y la hace vibrar pero no afecta su estado.

Con el objetivo de construir un sistema general de filtrado que aborda todos los retos descritos, el presente articulo describe una solucion a ser implementada como parte de un sistema de control y seguimiento de accesos y donde el lenguaje de programacion empleado es Ladder de acuerdo con el estandar IEC 61131-1. Las tecnicas comunes empleadas para la deteccion de rebotes normalmente van en contra de la posibilidad de detectar transiciones limpias de una senal, la metodologia que se describe permite realizar la deteccion de transiciones con rebotes, asi como una deteccion anticipada cuando las transiciones ocurren de forma solida; ademas, se tiene presente la posibilidad de encontrar vibraciones de origen externo que, aunque tienen apariencia de rebote, no implican cambios en la transicion de la senal de entrada.

2. ESTADO DEL ARTE

El estudio del filtrado de senales con rebote se ajusta a las particularidades de las aplicaciones donde ellas se presentan. En la bibliografia se encuentran soluciones concretas a problemas de diversa naturaleza, por ejemplo, soluciones al rebote presentado en el control o medicion de senales analogas como es el caso de [1], [2]. Otras soluciones tratan el clasico problema de los rebotes en la lectura de senales discretas como en [3] y, finalmente, se encuentran soluciones complejas donde mediante el uso de senales analogas se modela el comportamiento de senales digitales, con el in de proveer seguridad en ambientes con eventos que pueden crear altos niveles de interferencia en la lectura de senales, como se describe en [4].

2.1 Senales de mando

Un sistema fisico se puede interpretar como una caja negra que entrega como salida una senal determinada en respuesta a un conjunto de senales de estimulo. En el diseno por senales de mando se define la estructura interna funcional del sistema con el in de obtener como respuesta un conjunto de salida que cumpla las restricciones de diseno impuestas. La ventaja del diseno con base en esta tecnica consiste en poder interpretar las salidas como un conjunto de nuevas senales de mando hacia otros sistemas subsecuentes, o lo que es igual, el proceso de diseno de un sistema mayor consiste en seguir la evolucion logica de las senales, a traves de todo un conjunto de subsistema.

El resultado del diseno por senales de mando entrega un circuito en forma de diagrama logico, el cual para su implementacion en un PLC es bajo el estandar de programacion IEC 61131-3 [5]. Los diagramas logicos se encuentran presentes en varias plataformas de programacion, siendo algunas de las mas comunes en ingenieria Simulink[TM] y LabVIEW[TM]. Esta metodologia normalmente se asocia con una descripcion secuencial temporal de los eventos que con su ayuda se realiza el diseno de cada modulo o sistema, sin embargo, igualmente es posible realizar la descripcion formal de las senales mediante ecuaciones comportamentales [6].

2.2 Diseno por diagramas ladder

Un diagrama ladder es un esquema circuital de los elementos que constituyen la logica de control en un automatismo industrial [7]. Su concepcion se orienta hacia una estructura que permite la descripcion de un sistema fisico implementado con reles cableados y que se origina en el trabajo desarrollado en [8] y donde el autor formaliza las matematicas del pensamiento logico. El anterior trabajo sirvio de base para demostrar la implementacion fisica de los postulados de Boole, usando reles, lo cual Claude Elwood Shannon realizo en 1940 para su tesis denominada A symbolicanalysis of relay and switchingcircuits [9].

[FIGURA 1 OMITIR]

En un diagrama ladder se dibujan lineas verticales (como parales de una escalera) indicativas de la fuente de alimentacion para cada uno de los elementos del circuito y lineas horizontales (como peldanos de una escalera), donde se ubican los elementos que implementan la logica del circuito. La disposicion general en forma de escalera da nombre a este tipo de diagrama. En cada renglon, de izquierda a derecha, se ubican los contactos de reles que implementan la logica, que a su vez activan una bobina de un rele que se ubica en el extremo derecho de cada renglon. La Fig. 1 muestra un diagrama ladder basico que cumple con la funcion logica XNOR.

[FIGURA 2 OMITIR]

2.3 Diseno por bloques funcionales

Los bloques de funciones son diagramas donde el flujo de la informacion se dirige entre bloques mediante el uso de lineas de conexion que determinan la logica de la secuencia en la ejecucion, de tal manera que un bloque no se ejecuta hasta que todas sus entradas estan disponibles y no entrega resultados hasta que todas sus salidas esten disponibles. Una vez las salidas de un bloque estan disponibles, los datos viajan por las lineas de conexion hasta propagarse a cada una de las entradas subsecuentes. Segun la norma IEC-61131-3, los bloques se dividen en dos tipos, a saber: funciones y bloques de funciones.

Las funciones se distinguen por responder con el mismo valor primario de salida ante el mismo conjunto de variables de entrada, las funciones de suma, resta, etc., son ejemplos de este tipo. Los bloques de funciones responden de acuerdo con el valor de las variables de entrada, las variables internas e incluso el conjunto de variables de salida. Por lo anterior, el valor de una salida en un bloque de funciones puede variar ante el mismo conjunto de variables de entrada. La Fig. 2 muestra un diseno por bloque de funciones para la funcion logica XNOR.

2.4 Traduccion a ladder desde bloques funcionales

Dependiendo de la plataforma donde se desee implementar un sistema, puede ser necesario traducir un sistema disenado bajo un esquema de bloques funcionales a un esquema bajo diagrama ladder. El diseno con base en bloques funcionales presenta ventajas significativas como la mantenibilidad, legibilidad y escalabilidad de los sistemas con respecto a los sistemas disenados en ladder [5]. Sin embargo, el diseno ladder sigue siendo uno de los mas soportados por los diferentes proveedores de sistemas de automatizacion industrial, toda vez que asemeja los clasicos sistemas cableados e implica una capa de software cercana al lenguaje por listado de instrucciones.

[FIGURA 3 OMITIR]

Un bloque funcional permite la ejecucion de una tarea especifica definida sobre un conjunto de senales de mando de entrada y que entrega como salida una senal representativa de la tarea. Cada tarea puede ser vista como un pequeno circuito ladder y donde todas las tareas se desarrollan en una secuencia logica definida por el flujo de informacion sobre el diagrama de bloques funcionales. Como ejemplo basico, en la Fig. 3 se muestra la traduccion de un diagrama que realiza la funcion de temporizacion a la energizacion y a la desenergizacion con el flanco de bajada de la senal de mando. Para la implementacion del diagrama ladder se emplea la herramienta Click Programming Software V1.21 disponible libremente en [10].

La implementacion de varios bloques funcionales en lenguaje ladder se puede consultar en varias referencias, entre otras [6], [7], [11], [12]. Existe un conjunto basico de bloques o funciones, con base en los cuales se puede describir el comportamiento de otras funciones de mayor complejidad, denominadas derivadas; entre las funciones basicas principales estan: detectores de flancos, memoria biestable, temporizador a la energizacion, temporizador a la desenergizacion, contador ascendente/descendente, comparadores aritmeticos, OR logica, AND logica, NOT logica, aritmetica basica y funcion de reloj.

3. CONDICIONES GENERALES

El problema que se plantea en el presente articulo hace referencia al control de acceso a un recinto restringido mediante el seguimiento de aperturas y cierres realizados sobre la puerta de ingreso. Los cambios de estado de la puerta de acceso se registran mediante el uso de un sensor que presenta rebote. Este rebote se muestra ya sea por accion mecanica del mismo sensor o por vibraciones propias de la puerta de acceso. Las vibraciones propias del sensor se han estimado en aproximadamente 30Hz y las atribuibles a factores externos en cerca de 50Hz.

El objetivo es realizar un estricto seguimiento de los cambios de estado de la puerta a saber: transicion de cerrada a abierta y transicion de abierta a cerrada. Como parte del objetivo es importante realizar el registro de cambios de estado lo mas cerca posible del instante real del evento, dado que este algoritmo de vigilancia es susceptible de ser instalado en mas de un acceso al recinto y se desean registros en orden de ocurrencia.

En la senal proveniente del sensor se pueden identificar las siguientes regiones, ver Fig. 4:

* Estados estables de la puerta en posicion abierta o cerrada

* Rebotes en estados estables de la puerta. Normalmente se presentan por vibraciones de origen externo y no implican un cambio de estado de la puerta.

* Rebotes en un cambio de estado de abierta a cerrada o de cerrada a abierta.

* Cambios de estado sin rebotes, normalmente denominados cambios solidos.

[FIGURA 4 OMITIR]

4. METODOLOGIA

El diseno se realiza mediante una concepcion modular que facilite a futuro una alta mantenibilidad de la aplicacion, dado que esta es susceptible de modificaciones y escalabilidad. Los diferentes tipos de filtrado por rebotes que actuan sobre la senal del sensor se realizan de forma independiente para luego determinar la relacion logica de precedencia y operacion entre ellos.

Inicialmente, se presenta el diseno del sistema de filtrado por rebotes durante los cambios de estados de la senal de entrada; la Fig. 4 corresponde a las zonas denominadas "transiciones con rebotes". Un filtrado comun para este tipo de zonas se realiza mediante la deteccion de un flanco en la senal de entrada, ya sea un flanco de subida (transicion de nivel bajo a alto) o flanco de bajada (transicion de nivel alto a bajo), y posterior temporizacion con el in de inhabilitar la deteccion de nuevos flancos durante el periodo que duran los rebotes. La Fig. 5 muestra el diagrama de bloques funcionales asociado, el cual se diseno con ayuda de la herramienta ZelioSoft 2 ver 4.4, disponible libremente en [13].

[FIGURA 5 OMITIR]

Seguidamente, se presenta el diseno del modulo relacionado con el filtrado de rebotes en zonas de estados estables de la puerta, es decir, el filtrado por vibraciones de origen externo y que no implican un cambio de estado de la puerta. Este filtro se disena permitiendo la deteccion real de un cambio de estado independiente de las vibraciones, es decir, la puerta de acceso cambia realmente de estado cuando su estado inicial y estado final difieren luego de una temporizacion relacionada con la posible duracion de vibraciones provenientes de eventos externos. Un cambio efectivo de apertura a cierre de la puerta se presenta luego de la duracion del periodo de vibraciones externas con temporizadores por vibraciones internas activos, y si no se inicia una temporizacion por cambio de cierre a apertura. Si al inicio y final de la temporizacion por vibraciones externas la puerta sigue en estado de apertura, se concluye que las vibraciones son externas y la puerta no se ha cerrado efectivamente. En un sistema global donde se haga el filtrado por vibraciones internas y externas, al sistema de la Fig. 5 de filtrado por vibraciones internas se debe adicionar logicamente con el sistema de filtrado por vibraciones externas como se muestra en la Fig. 6.

El ultimo reto, previo a una integracion completa del sistema de filtrado por rebotes, es la deteccion anticipada de cambios solidos de estados, es decir, deteccion anticipada de transiciones, apertura cierre o cierre apertura que suceden sin rebotes. En este caso descrito, una transicion debe ser detectada lo antes posible con el fin de hacer su registro lo mas cercano al tiempo real del suceso cuando se compite con varias puertas de acceso. La implementacion para dar solucion a este reto consiste en realizar un proceso de conteo de flancos por un tiempo base, durante el cual se considera debe ocurrir como minimo la presencia de un rebote; si durante este tiempo la cuenta indica mas de un flanco se debe esperar y entregar la decision de su contabilizacion a los procesos de rebotes internos y externos, pero si la cuenta indica la presencia de solo un flanco se puede considerar su contabilizacion anticipada, ya que durante este tiempo base no hay rebotes. La Fig. 7 muestra el diseno del sistema descrito mediante bloques de funciones.

[FIGURA 6 OMITIR]

5. RESULTADOS

La Fig. 8 es una imagen del algoritmo que implementa todo el proceso de filtrado sobre la senal proveniente, desde un sensor detector de apertura y/o cierre de puerta en un recinto sobre el que se desea realizar control de acceso. La implementacion se realizo utilizando el software Click Programming Software V1.21 y se desplego en un PLC Click Koyo C0-00DR-D. En la Fig. 8, la configuracion de los tiempos de los temporizadores es la apropiada con fines de simulacion, mas no con fines de implementacion.

[FIGURA 7 OMITIR]

El despliegue responde de forma satisfactoria con los retos propuestos, aunque fue necesario realizar varios ajustes en la configuracion de los temporizadores de acuerdo con los diferentes tipos de vibraciones, o rebotes, presentes.

Los valores de los temporizadores se ajustan de forma local para cada sensor y puerta donde se desea poner el sistema de control de acceso. Sin embargo, valores tipicos son los siguientes:

* Los tiempos relacionados con el filtrado por transiciones con rebotes representan la mayor de las temporizaciones. Estos valores, para los despliegues realizados, se encuentran en el rango de los 700 a los 1000 ms.

* Los tiempos relacionados con el filtrado por vibraciones en zonas estables representan tiempos de menor duracion en relacion con transiciones con rebote. Estos valores se encuentran en el rango de los 200 a los 500 ms.

* Los tiempos para deteccion anticipada, o ante transiciones solidas, estan en el rango de los 50 a los 150 ms.

[FIGURA 8 OMITIR]

6. CONCLUSIONES

En el despliegue de aplicaciones donde se emplean sensores susceptibles de presencia de rebotes, siempre es indispensable la introduccion de sistemas de filtrado. El filtrado tradicional se restringe a eliminar posibles rebotes en las zonas de transicion de la senal de entrada, sin embargo, como se presenta en este documento, existen situaciones adicionales a tener presentes de acuerdo con la naturaleza de la aplicacion a implementar.

Para el caso particular del presente sistema de control de acceso a un recinto, se han tenido presentes situaciones relacionadas con la presencia de rebotes cuando la senal de entrada no realiza transicion alguna y lo cual se relaciona con vibraciones de origen externo al sensor.

Dada la necesidad futura de realizar un registro exhaustivo y en tiempo preciso de los eventos de apertura y cierre de varias puertas sobre el mismo recinto, se hace necesaria la introduccion de un sistema de deteccion anticipada para situaciones en que las transiciones ocurren sin rebotes. Este sistema presenta la ventaja de entregar una senal de confirmacion de cambio de estado sin necesidad de esperar por el in del algoritmo de filtrado por rebotes.

7. TRABAJO FUTURO

Los autores actualmente trabajan sobre la integracion operacional de cinco sistemas de deteccion de cambios de estado. El requerimiento actual se centra sobre la necesidad manifiesta de registrar todos los eventos de forma correcta, en un tiempo lo mas cercano posible al instante exacto de ocurrencia y en la secuencia misma que suceden. Con esta informacion se desea realizar un enlace de comunicacion que muestre sobre un ambiente virtualizado bajo PC la operacion de todos los accesos al recinto y se complemente con archivos historicos de seguimiento.

REFERENCIAS

[1] S. Zhanyou, Y. Guoqing and A. Guochen, "Test technology and debouncing circuit design of digitally controlled potentiometer," Electronic Measurement and Instruments, ICEMI, 8th International Conference. Xi'an, Aug. 2007.

[2] D. Lloyd and N. Svensson, "A technique for the measurement of cadence using walkway vibrations," Journal of Biomechanics, vol. 29, no. 12, pp. 1643-1647, Dec.1996.

[3] M. Nanda, J. Jayanthi and S. Rao, "Novel Validation Algorithms for Safety Critical Embedded Software," 3rd IET International Conference on System Safety, Birmingham, Oct. 2008.

[4] B. Kasztenny, V. Muthukrishnan and T. Sidhu, "Enhanced Numerical Breaker Failure Protection," IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 23, no. 4, pp 1838-1845, Oct. 2008.

[5] J. Karl-Heinz, M. Tiegelkamp, IEC 61131-3: Programming Industrial Automation Systems. Concepts and Programming Languages, Requirements for Programming Systems, Decision-Making Aids. Germany: Springer, 1995.

[6] C. Delhaye, La concepcion logica de automatismos industriales: Reles electromecanicos -- Reles electronicos. Unica Edicion. Espana: Marcombo, 1971.

[7] M. Holguin, A. Orozco y C. Guarnizo, Automatismos industriales. Colombia: Impreso en talleres de la Universidad Tecnologica de Pereira, 2008.

[8] G. Boole, The Mathematical Analysis of Logic. Being an Essay Towards a Calculus of Deductive. Cambridge: Macmillan, Barclay, & Macmillan, 1847.

[9] C. Shannon, A symbolic analysis of relay and switching circuits. Thesis (M.S.) Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering, Massachusetts, 1940.

[10] Click Programming Software [En linea]. Disponible en: http://www.aboutplcs.com/ click/free_software/free_click_software. html

[11] E. Parr. Programmable Controllers. An engineer's guide. Third edition, London: Newnes, 2003.

[12] W. Bolton, Programmable Logic Controllers, Fourth Edition. Newnes, 2006.

[13] Zelio Soft ver 4.4 [En linea]. Disponible en: http://www.schneiderelectric.es/sites/spain/es/productos-servicios/ automatizacion-control/oferta-de-productos/presentacion-de- rango.page?p_function_id=18&p_ family_id=233&p_range_id= 531#.

German Andres Holguin Londono

Ingeniero electricista, magister en Ingenieria Electrica, estudiante de Doctorado en Ingenieria. Docente Asociado de la Universidad Tecnologica de Pereira. Pereira, Colombia. german.holguin@utp.edu.co

Mauricio Holguin Londono

Ingeniero electricista, magister en Ingenieria Electrica. Docente Asistente de la Universidad Tecnologica de Pereira. Pereira, Colombia. mau.hol@utp.edu.co

Andres Escobar Mejia

Ingeniero electricista, magister en Ingenieria Electrica, estudiante de Doctorado en Ingenieria. Docente Asistente de la Universidad Tecnologica de Pereira. Pereira, Colombia. andreses1@utp.edu.co

Clasificacion del articulo: Investigacion (Recreaciones)

Fecha de recepcion: 5 de marzo 5 2011

Fecha de aceptacion: 30 de mayo de 2011
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Author:Holguin Londono, German Andres; Holguin Londono, Mauricio; Escobar Mejia, Andres
Publication:Revista Tecnura
Date:Jun 1, 2011
Words:3638
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