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Asignatura: Electrónica y Automática de Control A. al B.

Curso: 2º Grado en Arquitectura Naval e Ingeniería Marítima

UNIVERSIDAD DE CÁDIZ Examen Junio. 2ª parte. Escuela de

Ingeniería Naval y Oceánica Fecha: 1/ Julio /2015

Alumno/a:

PREGUNTA 1 (2 PUNTOS) Sensores y transductores:

- La galga extensiométrica de hilo conductor como sensor y transductor de pequeños desplazamientos.

- Sensores y transductores de posición tipo Encoders. Tipos, principio de funcionamiento de cada tipo y resolución de

cada tipo.

PREGUNTA 2 (2 PUNTOS) Sistemas integrados de control y UMS:

- Esquema de la arquitectura hardware de un sistema integrado de control de un buque para cota de clasificación de

máquina desatendida.

- Describir los distintos niveles que lo compone, así como su funcionalidad.

PREGUNTA 3 (1 PUNTO) Comunicaciones Industriales, nivel físico de la red:

- Principio de funcionamiento de la transmisión diferencial de señales.

- Estándares RS-422 y RS-485: Nº de hilos del cable y señal de que lleva cada hilo del cable en cada uno de los

estándares.

- Esquemas de enlace punto a punto y multipunto de los estándares RS-422 y RS-485.

PROBLEMA 1 (2,5 PUNTOS) Diodos y transistores:

Determinar el punto de trabajo del transistor (Ic y Vce), y la potencia disipada por el diodo zener (Pz). Tensión base-

emisor del transistor: Vbe=0,6V. Tensión zener del diodo Vz=3,6V. Coeficiente β del transistor, β=50

PROBLEMA 2 (2,5 PUNTOS) Amplificadores operacionales:

En el circuito de la figura determinar la tensión de salida Vo en términos de las tensiones de entrada V1 y V2.

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Alumno/a:

PREGUNTA 1 (2 PUNTOS) Sensores y transductores:

Galgas extensiometricas de hilo

Formada por un hilo conductor en forma de zigzag. Al deformarse la galga por verse sometida a un esfuerzo, se produce

un alargamiento del hilo y una disminución de su sección, por lo tanto cambia su resistencia según la ley:

𝑅 = 𝜌 ∙𝑙

𝑆= 𝜌 ∙

𝑙

𝜋 ∙ 𝑟2

Deben colocarse los lados largos en el sentido de la deformación que se quiere medir. La variación de la resistencia se

produce por dos causas simultáneamente, longitud y sección:

𝑑𝑅 =𝜌 ∙ 𝑆 ∙ 𝑑𝑙 − 𝜌 ∙ 𝑙 ∙ 𝑑𝑆

𝑆2=𝜌 ∙ 𝑆 ∙ 𝑑𝑙 − 𝜌 ∙ 𝑙 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑟 ∙ 𝑑𝑟

𝜋2 ∙ 𝑟4

El módulo de Poisson, μ, se define por la siguiente expresión. Así que la expresión de la variación de resistencia queda

como:

𝜇 = −𝑑𝑟/𝑟

𝑑𝑙/𝑙

𝑑𝑅 = 𝑅 ∙ (1 + 2𝜇) ∙𝑑𝑙

𝑙

La galga forma parte de un puente de medida diferencial para obtener la señal eléctrica.

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Alumno/a:

Medidores de posición tipo Encoders

Los encoders están formados por un rotor con uno o varios grupos de bandas opacas y translucidas alternadas

y por una serie de captadores ópticos alojados en el estator que detectan la presencia o no de banda opaca.

Existen dos tipos:

Incrementales: Dan un número determinado de impulsos por vuelta, requiriendo un contador para

determinar la posición a partir de un origen de referencia.

Absolutos: Disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario. Los captadores

ópticos captan un código digital completo de la posición absoluta del rotor.

Encoders Incrementales

Una única banda de marcas transparentes/opacas, separadas una distancia fija llamada paso “p”. El estator

dispone de dos emisores-receptores ópticos decalados un número entero de pasos más ¼ de paso. Al girar el

rotor cada par óptico genera una onda cuadrada, desfasadas ¼ de paso cuando gira en un sentido, y

desfasadas ¾ de paso cuando gira en sentido contrario. Discriminándose así el sentido de giro.

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Alumno/a:

Mediante un sistema lógico se puede determinar el desplazamiento a partir del origen a base de contar

impulsos, incrementando o decrementando en función del sentido de giro.

La resolución depende del número de divisiones del rotor (N): 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 =360°

𝑁

Encoders Absolutos

Disponen de varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas. De forma que en sentido

radial el rotor queda dividido en una serie de sectores, con combinaciones de opacos/transparentes que

siguen el código binario de Gray. El estator dispone de un captador óptico por cada sector, dispuestos en

forma radial. El código Gray tiene la ventaja que en cada cambio de posición sólo permuta un bit.

Para N bandas (bits), la resolución es de: 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 =360°

2𝑁

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Alumno/a:

PREGUNTA 2 (2 PUNTOS)

Nivel 1:

- Elementos de campo: Sensores y actuadores.

El nivel más bajo del sistema integrado de control está formado por el conjunto de sensores, interfaces

con el usuario y actuadores de la planta. Permiten al sistema de control actuar sobre los servicios del

buque (actuadores), e informan al sistema de control sobre el estado de la planta (sensores), permitiendo

un control en lazo cerrado.

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Alumno/a:

- Unidades de interface E/S. Unidades de adquisición de datos, periferia descentralizada,

concentradores de señal o RTU (remote terminal units).

Los sensores y actuadores se conectan a las unidades de entrada / salida del sistema integrado de control.

Dichas unidades se encuentran distribuidas estratégicamente a lo larga de la cámara de máquinas del

buque, para concentrar por zonas las señales de sensores y actuadores. Estas unidades están formadas por

bastidores remotos con tarjetas de entrada / salida, equipadas con procesadores de comunicaciones para

comunicarse con los autómatas programables que ejecutan las tareas de control

- Buses de campo de comunicaciones.

Las unidades remotas de E/S, periferias descentralizadas o concentradoras de señales se comunican con

los PLC de control mediante buses de campo de comunicaciones industriales. Como ejemplo podemos

citar los buses de campo PROFIBUS, MODBUS o CANBus. Para el control de servicios esenciales hay que

implementar buses redundantes.

- Autómatas programables (PLC o API) y controladores.

En los PLC residen los programas o software de control de los sistemas del buque. Se comunican mediante

los buses de campo a través de procesadores de comunicaciones con las unidades de interface de E/S. Por

otro lado, se conectan con las estaciones de trabajo de control del buque a través de la red LAN del

sistema de control.

Nivel 2:

- Redes locales de comunicaciones (LAN)

Redes de alto nivel, redundantes, que comunican los PLC con los ordenadores de control ubicados en la

sala de control de máquinas, salda de control de carga y puente de gobierno. Se ha extendido el uso de

redes ETHERNET.

- Ordenadores con sistema SCADA e impresoras en consolas de control de máquinas y carga.

Ordenadores en los que reside el programa SCADA que hacen de interface hombre-máquina. Permiten a la

tripulación, a través de mímicos que representan los distintos sistemas que controla el equipo de control

del buque, operar de forma remota los sistemas controlados, así como establecer las funciones de control

automáticas.

Nivel 3:

- Sistema de extensión de alarmas.

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Alumno/a:

La cota de clasificación de máquina desatendida exige un sistema repetidor de alarmas en la zona de

acomodación de la tripulación de máquinas. El sistema informa a los maquinistas de guardia de las alarmas

que se producen en la maquinaria mientras ésta está desocupada. Este sistema está normalmente

integrado en la red LAN del sistema de control.

- Unidades de almacenamiento.

Los sistemas de control del buque disponen de ordenadores dedicados al almacenamiento de los distintos

eventos que se han ido produciendo en el buque.

Nivel 4:

- Ordenador con sistema SCADA e impresoras en puente de gobierno.

Con objeto de aportar redundancia al sistema de control, en el puente de gobierno se instala una estación

de trabajo con el SCADA de control del buque, que permite el control remoto de los sistemas controlados

desde el puente de gobierno. Aporta redundancia a las estaciones de control de cámara de máquinas y de

la sala de control de carga.

PREGUNTA 3 (1 PUNTO) Comunicaciones Industriales, nivel físico de la red:

- Principio de funcionamiento de la transmisión diferencial de señales

Transmisión XON-XOFF que utiliza un amplificador diferencial. Se transmite la misma señal por dos hilos a la vez, por un

hilo se transmite la señal normal (+) y por el otro la señal invertida o negada (-). En caso de interferencia afecta por igual

a ambas líneas de transmisión, la positiva y la negativa. Como la señal definitiva se obtiene por diferencia de ambas líneas

de transmisión, el amplificador diferencial anula las posibles interferencias:

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Alumno/a:

- Estándares RS-422 y RS-485: Nº de hilos del cable y señal de que lleva cada hilo del cable en cada uno de los

estándares.

RS-422 emplea dos pares trenzados, uno para la línea de transmisión (TXD) y otro para la línea de recepción (RxD).

La conexión como una red de topología bus no es posible, puesto que cada transmisor debería conectarse a todos los

posibles receptores y requeriría un par trenzado para cada uno. La conexión multipunto es en forma de anillo.

Las señales/hilos de un enlace RS-422 son:

El RS-485 es una simplificación del enlace RS-422 empleando un único par trenzado para un enlace XON-XOFF. Utiliza una

sola línea de transmisión para transmitir y recibir los datos, esto requiere un software de control del enlace que haga

conmutar la línea según si el terminal debe transmitir o recibir datos. La conexión multipunto es en forma de bus

Señales/hilos de un enlace RS-485:

- Esquemas de enlace punto a punto y multipunto de los estándares RS-422 y RS-485.

Enlace punto a punto RS-422:

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Alumno/a:

Enlace multipunto RS-422, topología anillo:

Enlace punto a punto RS-485:

Enlace multipunto RS-485, topología bus:

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