Programación gráfica para ingenieros

Por José Miguel Molina Martínez y Manuel Jiménez Buendía

El presente libro surge para que los alumnos que cursan estudios de Ingeniería, en sus diferentes especialidades, puedan comprender y aplicar la programación gráfica a la resolución de problemas reales en el ámbito ingenieril. Además de los fundamentos teóricos para comprender en qué consiste la Programación Gráfica, se ha dotado de un fuerte contenido práctico donde se muestra como, empleado este lenguaje de programación, el Ingeniero puede abordar y solucionar problemas muy tan diversos como el desarrollo de aplicaciones para realizar cálculos complejos de ingeniería o la automatización y control de procesos industriales, agrarios y alimentarios, etc. Además, se explica la forma de comunicar e interactuar con Controladores de Automatización Programables (PAC) y tarjetas y dispositivos de adquisición de datos (DAQ), etc. Asimismo se muestra cómo programar PLCs mediante OPC y su integración con otros equipos empleados en automatización y control. La evolución de los dispositivos móviles, el empleo de cámaras web para la supervisión de procesos, y las comunicaciones a través de Internet, son conjugadas en diversas aplicaciones donde se muestra la forma de resolver problemas específicos del ámbito de la ingeniería. Para el desarrollo de aplicaciones SCADA se trata, de una forma práctica, como cómo utilizar el módulo DSC. José Miguel Molina Martínez (Dr. Ingeniero Agrónomo) y Manuel Jiménez Buendía (Dr. Ingeniero en Automática), disponen de una trayectoria de más de 10 años como profesores e investigadores en la Universidad Politécnica de Cartagena. Además han dirigido y coordinado cursos y másteres de especialización sobre Programación Gráfica y desarrollo de aplicaciones SCADA. En la actualidad sus actividades de I+D+I se centran en el desarrollo tecnológico de equipos y software para la gestión de los recursos hídricos y energéticos.

• Idioma: Español
• Editorial: Marcombo
• Fecha de lanzamiento: 1 ago 2013
• ISBN: 9788426720665

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Bloque I

LabVIEW Lenguaje de Programación Gráfico

1.   Entorno de Programación LabVIEW

1.1     Introducción

LabVIEW es un lenguaje de programación de alto nivel, de tipo gráfico, inicialmente enfocado a la realización de aplicaciones para el control de instrumentación. Desde su aparición, LabVIEW se ha convertido en un auténtico lenguaje y entorno integrado de programación, ya que cuenta con todos los recursos necesarios para elaborar cualquier tipo de algoritmo en aplicaciones muy variadas. Los programas desarrollados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales, o VIs, lo que da una idea de su uso en origen: el control de instrumentos. El lema de LabVIEW es: La potencia está en el Software. Entre sus objetivos están la reducción del tiempo de desarrollo de aplicaciones y facilitar el desarrollo de aplicaciones a programadores no expertos en informática. Pero una de sus mayores cualidades es la existencia de numerosos paquetes que permiten combinar este software con todo tipo de hardware, como tarjetas de adquisición de datos, controladores, autómatas programables, sistemas de visión, FPGAs, etc.

En este capítulo y en los sucesivos, se intentarán establecer las bases necesarias para que lectores puedan desarrollar aplicaciones enfocadas al campo de la adquisición de datos, supervisión y control y, más concretamente, para la automatización de sistemas de riego. A continuación, comenzaremos proporcionando una visión general sobre el entorno LabVIEW.

1.2     Programación Gráfica

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbech) fue creado por la empresa National Instruments (fundada en 1976 en Austin, Texas) para funcionar sobre máquinas MAC, salió al mercado por primera vez en 1986. En la actualidad se encuentra disponible para las plataformas Windows, UNIX, Mac y Linux. La última versión (8.6), liberada en Agosto de 2008, cuenta con soporte para el sistema operativo Windows Vista. En la Tabla 1.1 se puede observar la evolución de este entorno y las principales características aportadas con cada una de las versiones.

La programación G constituye el corazón de LabVIEW, y difiere de otros lenguajes de programación como C ó Basic, en que éstos están basados en texto, mientras que en G se utiliza programación gráfica. Los programas en G, o VIs (acrónimo de Virtual Instrument) constan de una interfaz interactiva de usuario y un diagrama de flujo de datos que hace las funciones de código fuente.

Tabla 1.1. Diferentes versiones de LabVIEW aparecidas en el mercado.

De forma más específica, el entorno de programación gráfico LabVIEW se estructura siguiendo la analogía con los instrumentos de laboratorio a los que trataba de emular en sus primeras versiones. Así, un instrumento virtual consta de:

•   Panel Frontal. Es la interfaz interactiva de usuario de un VI, debido a que simula el panel de un instrumento físico. El panel frontal puede contener botones, interruptores, pulsadores, gráficas y otros controles e indicadores. Los datos se introducen utilizando el ratón y el teclado, y los resultados se muestran en la pantalla del ordenador.

•   Diagrama de Bloques. Se construye en G y constituye el código fuente del programa o VI. Supone una solución gráfica a un determinado problema de programación.

Los VIs son jerárquicos y modulares. Pueden utilizarse como programas de alto nivel o como subprogramas de otros programas o subprogramas. Cuando un VI se usa dentro de otro VI, se denomina subVI. El icono y los conectores de un VI funcionan como una lista de parámetros gráficos de forma que otros VIs puedan pasar datos a un determinado subVI.

1.3     Instrumentos Virtuales

Los programas de LabVIEW se denominan instrumentos virtuales o VI, debido a que su apariencia y operación imita a los instrumentos físicos, tales como osciloscopios y multímetros. LabVIEW contiene un amplio abanico de herramientas para adquisición, análisis, despliegue y almacenamiento de datos, así como herramientas que ayudan a especificar su código de ejecución.

En LabVIEW, se construye una interfaz de usuario, o panel frontal (véase la Figura 1.1), con controles e indicadores. Los controles son texto, botones de acción, interruptores y otros dispositivos de entrada. Los indicadores son gráficos, LED, objetos para mostrar texto o números y otros elementos. Una vez construida la interfaz, el código se agrega en el diagrama de bloques utilizando subVIs y estructuras para controlar los objetos del panel frontal.

Figura 1.1. Panel Frontal.

El diagrama de bloques (véase la Figura 1.2) contiene el código fuente gráfico. Los objetos del panel frontal aparecen como terminales en el diagrama de bloques. Adicionalmente, el diagrama de bloques contiene funciones y estructuras incorporadas en las bibliotecas de LabVIEW. Los cables conectan cada uno de los nodos en el diagrama de bloques, incluyendo controles e indicadores de terminal, funciones y estructuras.

Figura 1.2. Diagrama de bloques.

En este diagrama de bloques se llama al subVI Temp, que implementa una subrutina que obtiene una temperatura desde una tarjeta de adquisición de datos (DAQ). Esta temperatura es representada, junto con el valor medio de la temperatura, en la gráfica de forma de onda Temperature History. El interruptor (Power) es un control booleano que se colocó en el panel frontal para detener la ejecución del bucle de iteración While Loop. Esta estructura iterativa (While Loop) también contiene un terminal (i) que indica el número de iteración que se está ejecutando (la primera iteración es la número 0).

A partir de LabVIEW 7.0 se introdujo un nuevo tipo de subVI denominado Express VI. Estos son VIs interactivos que tienen una configuración mediante un cuadro de diálogo que permite al usuario personalizar su funcionalidad de manera rápida e intuitiva. A partir de esta configuración LabVIEW genera un subVI basado en dichos argumentos.

Los VIs estándar están constituidos a su vez por un panel frontal y un diagrama de bloques que son usados dentro de otro VI.

Las funciones son los bloques básicos para la construcción de todos los VIs, pero no tienen un panel frontal o un diagrama de bloques (por ejemplo, funciones aritméticas de suma, resta, multiplicación, etc.).

1.4     Menús de LabVIEW

La barra de menús de la parte superior de las ventanas de LabVIEW contiene diversos menús pull-down (desplegables). Cuando hacemos clic sobre un ítem o elemento de esta barra, aparece un menú por debajo de ella. Dicho menú contiene elementos comunes a otras aplicaciones Windows, como Open (Abrir), Save (Guardar) y Paste (Pegar), y muchas otras particulares de LabVIEW.

La Figura 1.3 muestra la barra de menús para la versión 8.6.1, común para el panel frontal y el diagrama de bloques.

Figura 1.3. Barra de menús de la versión 8.6.

El menú de LabVIEW que utilizaremos con más frecuencia es el menú de contexto o emergente (Pop-up) de objetos, al que se accede situando el cursor sobre un objeto y pulsando el botón derecho del ratón. Si la pulsación se hace sobre un espacio vacío, el menú que se obtendrá variará en función de la herramienta seleccionada.

1.5     Barra de Herramientas (Toolbar)

Bajo la barra de menús se sitúa la barra de herramientas, que incluye una serie de botones para editar o ejecutar los VIs. Tal como se ilustra en la Figura 1.4, esta barra se muestra con más o menos opciones dependiendo de si estamos en modo de ejecución o de edición. Además, en el diagrama de bloques se dispone de algunas opciones adicionales. La función de los distintos botones es la siguiente:

Figura 1.4. Barra de herramientas del panel frontal: (a) en modo edición (Edit), (b) en modo ejecución (Run).

El primer botón sirve para configurar el texto (fuente, tamaño, estilo, color, etc.). El resto de botones permiten alinear, distribuir, redimensionar y ordenar los objetos seleccionados.

Figura 1-5. Barra de herramientas del diagrama de bloques: (a) en modo edición (Edit), (b) en modo ejecución (Run).

1.6     Paletas de controles, funciones y herramientas

La paleta de controles (Controls) sólo está disponible en el panel frontal, y permite colocar sobre él los controles e indicadores (véase la Figura 1.6).

Figura 1.6. Paleta de controles (visible en el panel frontal).

La paleta de controles se puede desplegar: (1) seleccionando el menú View » Controls Palette o (2) haciendo clic con el botón derecho del ratón en el espacio de trabajo o en cualquier área abierta del panel frontal. Para que desaparezca la paleta de controles hay que hacer clic fuera de la paleta. También es posible fijarla pulsando el clip ( ) de la esquina superior izquierda.

La paleta de funciones (Functions) sólo está disponible en el diagrama de bloques (véase la Figura 1.7). Se puede desplegar: (1) seleccionando el menú View » Functions Palette o (2) haciendo clic con el botón derecho del ratón en el espacio de trabajo o en cualquier área abierta del diagrama de bloques. Para que desaparezca hay que hacer clic fuera de la paleta. También es posible fijarla pulsando el clip ( ) de la esquina superior izquierda.

Figura 1.7. Paleta de funciones (visible en el diagrama de bloques).

La paleta de herramientas dispone de 11 botones utilizados para operar y modificar objetos en el panel frontal y en el diagrama de bloques (véase la Figura 1.8). Por defecto, LabVIEW activa el cambio automático de herramienta. Si la paleta está oculta se puede mostrar mediante la opción de menú View » Tools Palette. A continuación se muestran las funciones de cada uno de sus botones:

Figura 1.8. Paleta de herramientas.

2.   Diseño y creación de una aplicación Instrumento Virtual

2.1     Introducción

En este capítulo se describen los pasos necesarios para la creación de aplicaciones, denominadas Instrumentos Virtuales (VI, Virtual Instrument) en el entorno de programación gráfico LabVIEW.

2.2     Creación de un VI

La programación en LabVIEW se realiza en el diagrama de bloques, mientras que en el panel frontal se presenta la interfaz con el usuario de la aplicación, donde se encuentran las entradas y salidas.

Cuando en el panel frontal se crea un control para la entrada de datos o un indicador para la salida de datos, en el diagrama de bloques aparecen sus respectivos terminales. Estos terminales dan acceso a los objetos del panel frontal, permitiendo operar con ellos mediante las herramientas de la paleta de funciones y generar el código de ejecución asociado en el diagrama de bloques.

Cada terminal contiene información útil del objeto asociado en el panel frontal. Por ejemplo, el color y los símbolos indican el tipo de dato. Los números de punto flotante son representados con terminales anaranjados con un acrónimo que indica su precisión (DBL para double, SGL para single, y EXT para extended). Los terminales booleanos se dibujan en color verde con el acrónimo TF.

Tal como se muestra en la Figura 2.1, los terminales de los controles tienen una flecha en el lado derecho y un borde grueso. Los indicadores tienen una flecha en el lado izquierdo y un borde fino.

Figura 2.1. Indicador numérico (Thermometer) y control booleano (Boolean) en el panel frontal (izquierda) y sus terminales asociados en el diagrama de bloques (derecha).

Como regla general, deben cablearse los terminales del mismo tipo: anaranjados con anaranjados, verdes con verdes, etc. También es posible conectar terminales de tipos compatibles, por ejemplo, LabVIEW permite conectar un terminal azul (correspondiente a un valor entero) a un terminal anaranjado (valor fraccional). En estos casos se produce una conversión automática al tipo de destino (por ejemplo, un truncamiento de los decimales si el destino es un terminal entero).

Además de los terminales del panel frontal, el diagrama de bloques contiene funciones (algebraicas, booleanas, etc.). Cada función puede tener múltiples terminales de entradas y salidas, cuya conexión constituirá una parte muy importante de la programación en LabVIEW.

Al realizar el cableado, cada cable tendrá un único origen, generalmente un control, pero puede derivarse hacia varios indicadores o funciones.

En el ejemplo de la Figura 2.2, el VI toma datos de A y B y pasa los valores a una función de adición y a una función de resta. Los resultados son mostrados en los indicadores de la derecha.

Figura 2.2. Panel frontal y diagrama de bloques de un VI para la suma y resta de dos variables.

Para la realización del cableado en el diagrama de bloques deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:

Cuando se utilice la herramienta de cableado, el cable se ubicará en el extremo superior del icono .

Durante el movimiento de la herramienta de cableado sobre las funciones, aparece una viñeta amarilla que indica el nombre del terminal al que se está conectando:

Para obtener más ayuda sobre los terminales, haga clic en la función con el botón derecho del ratón y seleccione Visible Items (Objetos Visibles) » Terminals (Terminales). Aparecerá un dibujo con los terminales de conexión de la función. Los colores corresponden a los tipos de datos utilizados por los terminales del panel frontal.

Para obtener una ayuda adicional, seleccione Help » Show Context Help (Mostrar Ayuda Contextual), o presione Ctrl+H. Al mover el ratón sobre una función,

Comentarios para Programación gráfica para ingenieros

[ENRIQUE CASTRO · Calificación: 4 de 5 estrellas]

Estimados se agradece, excelente Aporte, intuitivo, y preciso, buena bibliografía. Gracias!