INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA UNIDADCULHUACAN

IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE ADQUISICION Y PROCESAMIENTO DE DATOS EN OPERACIONES DE REGISTRO EN PLATAFORMAS DESHABITADAS TESIS QUEPARA OBTENER EL TITULODE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA PRESENTA: JOSE DAVID PEREZ MENDEZ ASESORES:ING. FEDERICO GARIBAY ITURBE M. EN C. ISAAC OMAR LOPEZ VAZQUEZ MEXICO, D.F. 2008 INSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DEINGENIERIA MECANICA y ELECTRICAUNIDADCULHUACANTESISINDIVIDUAL)ue como prueba escrita de su Examen Profesional para obtener el Titulo de Ingeniero en;omunicaciones y Electrnica deberdesarrollar el c ..JOSEDA VIDPEREZMENDEZ.. -,'- .. , o .....",,, .. ;:,:. " ,',.' '- ..."1MPLEMEN1~,fIO~.PE ut:!...$Jl~~ ..gE1-~,QLlIS~91'-.N,Yfl~'p.c~SA~lSN;r.g,J?E DATOSEN.OPERAClpNE [)EiB.EGI~TROI EN1PLP;TAI;9RM~S D~SHABITADA$."CAPITULADOI.-~11.-111.-Iv.-V:-n.x;. HECTORBECERf11L MENDOZAJEFEDE LACARRERA DE I.C.E.Mxico D. F.,a14 Diciembre de2007APROBADO NDICE GENERALSistema de adquisicin de datos en superficie SIADSi ndice de imgenes Introduccin Captulo 1: Generalidades: 1.1Antecedentes histricos de la industria petrolera en Mxico 1.2PEMEX en el contexto de la Industria Petrolera Mundial 1.3Estado del arte en la adquisicin de informacin de pozos 1.3.1Pruebas de Presin y Toma de Informacin1.3.2 Factores que afectan la respuesta de las pruebas de presin.1.4Equipos para registro de datos en superficie. 1.4.1Manmetro 1.4.2Mangrafo Captulo 2: Necesidadtecnolgica y planteamiento de solucin 2.1 Identificacin de la necesidad tecnolgica 2.2 Propuesta de Solucin Captulo 3: Diseo del Sistema de Adquisicin de Datos de Superficie (SIADS) 3.1 Microcontrolador 3.1.1 Seleccin del microcontrolador 3.1.2 Software para desarrollo de aplicaciones3.2Conversin Analgico/Digital3.3Almacenamiento de datos. 3.3.1Memorias de almacenamiento de datos 3.3.2SPI Serial EEPROMAT25640A 3.3.3 Escritura / Lectura de la memoria 3.4Transductores de presin 3.4.1 Calibracin de los sensores

Captulo 4: Implementacin delsistema de adquisicin. 4.1 Construccin 4.1.1Desarrollo de tarjetas 4.1.2 Mdulos de contencin. 4.1.3 Accesorios 4.2 Pruebas de laboratorio. 4.3 Pruebas de campo.

Captulo 5: Conclusiones. Anexo I: Diagrama esquemtico del SIADSAnexo II:Hojas de especificaciones de CIs.(ATMEGA16, MAX233,AT25HP256, LM185) Anexo III:Cdigo fuente para la programacin del SIADS. NDICE DE IMGENES Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADSii Pag. Captulo I Figura. 1.3.1 Curvas de unaPrueba de decremento de presin 7 Figura.1.3.2 Curva de una Prueba de incremento de presin 8 Figura.1.3.3 Prueba de Inyeccin9 Figura. 1.3.4Prueba Fall off10 Figura.1.3.5Herramienta de cierre en fondo para pozo.12 Figura. 1.4.1 Representacin grfica de un pozo petrolero 13 Figura. 1.4.2 rbol de vlvulas (Pozo Agua Fra 813P.R. Ver.)14 Figura. 1.4.3Manmetro14 Figura. 1.4.4Mangrafo15 Capitulo II Figura. 2.1.1rbol de vlvulas de pozo16 Figura. 2.1.2Concepto bsico de operacin18 Figura.2.2.1 Esquema general de operacin20 Capitulo III Figura. 3.1.1Pantalla de trabajo del software AVR Studio.29Figura. 3.1.2Pantalla de trabajo del software AVR VMLab.30 Figura. 3.2.1Convertidor Analgico/Digital del ATmega1631 Figura. 3.2.2Diagrama a bloques del proceso de conversin A/D 32 Figura. 3.3.1 Mapa de memoria SRAM del ATmega1633 Figura 3.3.2. Apariencia Fisica de una EPROM 36 Tabla 3.3.3 Distribucin de pnes de la Memoria AT25640A. 38 Tabla 3.3.4 Set de Instrucciones para la memoria AT25640A39 Figura3.3.5 Conexin elctrica de la memoria con el ATMEGA16 39 Figura 3.4.1 Sensor Rosemount (4-20 mA)41 Figura 3.4.2 Conexin de sensores 42 Figura 3.4.3 Cable bifilar de comunicacin. 42 Figura 3.4.4. Balanza de pesos muertos.42 Figura 3.4.5 Tabla de Calibracin para Sensor Rosemount (4-20 mA) 43 Capitulo IV Fig 4.1.1.Diagrama elctrico del SIADS45 Figura 4.1.2 Conexiones del SIADS en Proto-Board47 Figura 4.1.3Arreglo de componentes del SIADS48 Figura 4.1.4Arreglo de pista de tarjeta del SIADS48 Figura 4.1.5Impresin del negativo en papel fotogrfico49 Figura 4.1.6 Placa terminada49 Figura 4.1.7 Tarjeta terminada50 Figura 4.18 Maletn de contencin de copolmero de ultraalto impacto51 Figura 4.1.9 Placa Base de Aluminio 52 Figura 4.1.10Placa Superior de Acero Inoxidable52 Figura 4.1.11Conector tipo canon52 Figura 4.1.12Portafusibles53 Figura 4.2.1 Prueba de tarjeta SIADS con fuente de voltaje53 Figura 4.2.2Grfica de la fuente de voltaje usada como referencia 54 Figura 4.2.3Grfica Fuente de Referencia VS Canal 055 Figura 4.2.4Grfica Fuente de Referencia VS Canal 155 Figura 4.2.5Grfica Fuente de Referencia VS Canal 255 Figura 4.2.6Grfica Fuente de Referencia VS Canal 356 Figura 4.2.7Grfica Fuente de Referencia VS Canal 456 Figura 4.2.8Grfica Fuente de Referencia VS Canal 556 Figura 4.2.9Grfica Fuente de Referencia VS Canal 657 Figura 4.2.10 Grfica Fuente de Referencia VS Canal 757 Figura 4.3.1 Sistema de Adquisicin de Informacin de Datos en Superficie57 Figura 4.3.2 Grfica de Presin en Superficie del Pozo Tajn 32558 Figura 4.3.3 Datos de Presin en Superficie del Pozo Tajn 32558 Figura 4.3.4 Grfica de Presin en fondo del Pozo Tajn 32559 Figura 4.3.5 Instalacin de sensores de presin en el Pozo Tajn 325 59 INTRODUCCIN Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADSiii El presente trabajo se ha desarrollado en el grupo de Sistemas y Herramientas para la Adquisicin de InformacindePozos(SHAIP),pertenecientealInstitutoMexicanodelPetrleo(IMP),elcualse significa como un grupo que tiene como visin de operacin el orientarse a la industria petrolera nacional (PEMEX), teniendo como misin la innovacin orientada al cliente, centrndose en la investigacin y el desarrollo tecnolgicos para brindar soluciones a la problemtica cotidiana de la industria petrolera.

PetrleosMexicanos,principalclientedelIMP,tieneentreotrasmuchasnecesidadesmaterialesy tecnolgicas, la de llevar a cabo diversas operaciones en pozo para determinar una serie de parmetros petrofsicos, con la finalidad de conocer el comportamiento que caracteriza a los yacimientos petroleros de inters, dado que la informacin obtenida sirve para hacer estimaciones de produccin as como una serie de previsiones tcnicas. LametodologayeldesarrollotecnolgiconecesarioparacubrirlosrequerimientosdePEMEX, materializados en sistemas-herramientas para la ejecucin de las operaciones, son motivo de estudio y deinvestigacinenlasreasdedesarrollo,laboratoriosytalleresdelIMP,despusdequeseha identificadoydelimitadoelcuadrodenecesidadesparaenfrentarlasolucinuoptimizacindela actividad planteada. La Medicin y Registro en Superficie en los pozos de las diversas regiones petroleras de nuestro pais, se enfoca principalmente al monitoreo de la presin, ya que este dato es fundamental para determinar desde la forma en que se explotar el pozo, la cantidad de produccin esperada o el periodo de vida del mismo, entre otros aspectos.Actualmente el monitoreo se realiza por medio de cartas manogrficas o por observacin directa en manmetros de cartula. Considerando lo descrito anteriormente, en la presente tesis se propone el diseo y construccin de una herramienta electrnica que satisface los requerimientos de adquisicin y registro en superficie de los principalesparmetrosfsicosdelpozo,comosonpresinytemperatura,proporcionandounregistro continuodedatosconmayorprecisinyconfiabilidad,conlacapacidaddealmacenarlosdatos obtenidos y que adems puedan ser manejados con software comercial.Asimismo es una herramienta construida con componentes y materiales asequibles en el mercado nacional, pretendiendo cubrir una necesidad real con un sistema prctico que proporcione resultados tangibles. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 1CAPTULO 1: GENERALIDADES Elpresentetrabajo,sedesarrollinmersoenelambientepetrolero,porloquesehace obligado hacer un recorrido por la historia de la industria petrolera en Mxico, la cual sin duda se significa como el principal motor econmico del pas, y por ello la importancia de hacer nfasis en los desarrollos tecnolgicos que brindan soluciones a la problemtica real y actual del ambiente petrolero, que es consecuencia de su desarrollo histrico.Asimismo sehace mencin del estado del arte en la adquisicin de informacin de pozos y sealan conceptos bsicos como el de pozo petrolero, rbol de vlvulas,dispositivos de medicin ms comunes utilizados en PEMEX y otros. 1.1 ANTECEDENTES HISTRICOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA EN MXICO LosantecedenteshistricosdelaIndustriaPetroleraenMxicosealanqueelprimer pozopetrolerofueperforadoen1869enelestadodeVeracruz.Sinembargo,la explotacin regular del petrleo se inici en el ao de 1904, cuando se termin el pozo exploratorioPez-1 en el estado de San Luis Potos, a una profundidad de 502 m, con una produccindiariade1500barriles(bls)deaceitequesesostuvodurantevariosaos. Posteriormente se descubrieron importantes yacimientos localizados principalmente en lo que se conoce como la Faja de Oro, ubicada al norte del estado de Veracruz. Al campo ms importante de esta serie de yacimientos se le conoce con el nombre de Cerro Azul y fue el primer campo gigante de Mxico. Laexplotacindeestareginseintensificentrelosaos1910y1921,habiendo alcanzado una produccin diaria de 530,000bls que en aquel entonces representaba el 25% de la produccin mundial de petrleo y colocaba a Mxico como el tercer productor mundialdehidrocarburos,situacinquefueposiblealcanzarenvirtuddelaalta productividaddelos camposdescubiertos,comolo demuestraelhecho dequeelpozo Cerro Azul-4 haya alcanzado una produccin de aproximadamente 260,000 bls por da, sin embargolaaceleradaexplotacindeloscamposdelaFajadeOrooriginquese presentara una fuerte declinacin de la produccin. El Campo Poza Rica fue descubierto a principio de la dcada de los aos treinta. Este fue elsegundocampogigantedescubiertoenMxico,ascomoelsoporteprincipaldela produccinhasta1960,fechaenquelaaportacindiariadeestecampofuede 270,000bls. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 2En esta poca tambin se descubrieron y desarrollaron varios campos localizados en el surdelestadodeVeracruz,cuyaexplotacincontribuyalcontinuoincrementodela produccin, que para el ao de 1970 promedi 430,000 bls diarios de petrleo. Desdeelaode1938,elgobiernodelaRepblicaMexicanadeterminquelos hidrocarburos eran propiedad de la nacin.Ese mismo ao se fund Petrleos Mexicanos (PEMEX), como entidad pblica y se le responsabiliz de explotar este recurso natural en nuestro pas. ElimportanteesfuerzoexploratoriorealizadoporPetrleosMexicanosapartirdela expropiacinpetrolera,permitielhallazgodeuncrecidonmerodeyacimientos petroleros localizados en diferentes regiones de la planicie costera del Golfo de Mxico, siendo los ms importantes: en la regin norte, los campos Tres Hermanos y Tamaulipas-Constituciones;enlaregincentral,loscamposSanAndrs,RemolinoSantaAgueda, Ezequiel Ordoez y Angostura y en la regin sur, los campos La Venta, Cinco Presidentes, Ogarrio, El Plan, Cuichapa y El Golpe. As mismo, en la plataforma continental del Golfo deMxico,sedescubrieronydesarrollaroncamposmarinos,entrelosquedestacan: Arenque en la regin norte, Atn y Bagre en la regin central y Santa Ana en la regin austral. A pesar de que en el ao de 1971 se incorpor a explotacin un significativo nmero de yacimientos, Mxico pas a ser un pas importador de hidrocarburos como resultado de la creciente demanda interna. Esta situacin permaneci hasta 1974, ao en el que Mxico reinicisusactividadescomoexportadordepetrleo.Paraestasfechaslaproduccin alcanz un promedio cercano a los 700,000 bls diarios; al iniciarse la explotacin de los camposSitioGrandeyCactusdescubiertosen1972enlosestadosdeChiapasy Tabasco. Paraelao1979,seinicilaexplotacindeloscamposmarinosenlaSondade Campeche, cuyo descubrimiento se ubica tres aos atrs, al resultar productor de aceite pesadoelpozoChac-1quefueelprimerexploratorioperforadoenesarea.Estaotra reginpetrolera,queresultdemayorproductividadqueladeChiapas-Tabasco,est ubicadaenelComplejoCantarell,queporsusdimensionesseclasificadentrodelos primeros 10 yacimientos super gigantes del mundo. A la fecha, en la Sonda de Campeche se han descubierto 14 campos productores de aceite pesadoy de aceite ligero, siendo los msimportantesenelyamencionadoCantarell,Abkatun,PolyKu.Auncuandoestos Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 3campos no se han desarrollado completamente, a fines de 1982 se obtuvo de ellos una produccin cercana a los 2,000,000 bls diarios. El tercer campo super giganteque posee Mxico, es el Paleocaon del Chicontepec, que se encuentra localizado en la regin centraldelafranjacostera del Golfo de Mxico. En el transcurso del tiempo PEMEX ha decidido transformarse,en la ltima dcada se determin que su funcionamiento debera diferenciar sus actividades en distintas lneas de negocios,desde 1992 se ha organizado como sigue: ElprocesoproductivodelOrganismocomienzaconlostrabajosdeExploracin,enla bsqueda de yacimientos de hidrocarburos, para incrementar cada vez ms el nmero de campos susceptibles de explotacin, lo que determina la potencialidad productiva, a travs de la incorporacin de ms reservas. Elsiguientepaso,despusdelalocalizacindereservas,eslaExplotacindelos hidrocarburos,ambasactividadesestnencomendadasaPEMEXExploraciny Produccin(PEP),queeselprimereslabnyelmsimportantedetodoelproceso productivo. Paralaextraccinyproduccindepetrleocrudoygasnatural,PetrleosMexicanos cuenta con 185 plataformas marinas, cuatro mil 185 pozos en explotacin y 301 campos en produccin. Enelsectorderefinacinoperanseisrefinerasenelpas,concapacidadde procesamiento primario de ms de un milln y medio de barriles diarios, conectadas con 77terminalesdealmacenamientoydistribucin.Cuentaconochocomplejos petroqumicos, en los cuales operan 43 plantas. La red nacional de ductos de Petrleos Mexicanos tiene una extensin de ms de 54 mil kilmetros.Paraeltransportemarinodisponecon24buquesdeflotamayory93 embarcaciones menores. Para el transporte terrestre de petrolferos, se cuenta con una flotilladetresmil575autotanquesy530carrotanquespropiosy,enmateriade comercializacin, se han otorgado alrededor de cinco mil 350 franquicias a igual nmero de estaciones de servicio, en tanto que 55 son propiedad de Pemex. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 4LamayorpartedelgasnaturalyloscondensadossecanalizahaciaPEMEXGasy Petroqumica Bsica, donde se realiza su procesamiento mediante el cual se separan los diferentesproductoscomoelgasseco,eletano,elgaslicuadoylasnaftas, principalmente. Elgassecoqueseobtienedelproceso,juntoconelqueprovienedirectamentedelos campos, se destina principalmente al autoconsumo de PEMEX y a satisfacer la demanda tanto del sector elctrico como de la industria en general. En todas estas actividades, el Instituto Mexicano del Petrleo, organismo descentralizado conpersonalidadjurdicaypatrimoniopropios,esunfactorderelevanciaparala investigacincientficayeldesarrollotecnolgicoparaelmejoramientodelaindustria petrolera nacional. 1.2 PEMEX en el contexto de la industria petrolera internacional: Durantelosltimosdosaos,PetrleosMexicanossehacolocadoenunadestacada posicin en el escenario mundial, y as lo han reconocido publicaciones especializadas en materia energtica de prestigio internacional. De acuerdo con la publicacin Oil and Gas J ournal, al cierre del ao 2001, Mxico se ubic en el noveno lugar por el monto de sus reservas probadas de crudo y vigsimo segundo en las correspondientes a gas natural; sptimo sitio en produccin de crudo; dcimo en extraccin de gas natural y dcimo cuarto en capacidad de destilacin primaria. Por su parte, Energy Intelligence Group (PIW) y Fortune colocan a Pemex como la tercera empresa productora de crudo en el mundo, sptima en extraccin de gas natural y octava porsuniveldeventas,encomparacinconotrasgrandescorporacionespetrolerasde distintos pases.En materia de produccin de petrleo crudo, durante el ao pasado Oil and Gas J ournal clasific a Mxico en el sptimo lugar, con un promedio de tres millones 127 mil barriles por da, por debajo de Arabia Saudita, Rusia, Estados Unidos, Irn, China y Noruega.Asimismo,Mxicoseubic,alcierredelao2001,enladcimaposicinentrelos principales productores de gas natural en el mundo, con una extraccin de cuatro mil 511 millonesdepiescbicosdiariosy,porotraparte,sedestacentrelos15pasesms Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 5importantespor su capacidad dedestilacinprimaria,conun niveldeunmilln559mil barriles diarios de crudo.Con base en datos de Energy Intelligence Group (PIW), durante el ao 2000, Pemex se coloc en el tercer sitio a nivel mundial como empresa productora de crudo al extraer tres millones450milbarrilesdiarios,incluidoslquidosdelgas,porabajodelascompaas Saudi Aramco, de Arabia Saudita y NIOC, de Irn. Energy Intelligence Group certifica tambin que, en el ao 2000, Pemex se posicion en el sptimo lugar entre las 15 principales empresas petroleras en el mundopor su nivel de produccin de gas natural, con un promedio de cuatro mil 679 millones de pies cbicos diarios.Dentrodeestecaptulo,laparaestatalcompitefavorablementeconempresas petroleras de importancia mundial como Exxon/Mobil, Royal Dutch/Shell, BP y NIOC.Porsuniveldeventasenelao2000,quefueronde49mil523millonesdedlares, PEMEXalcanzeloctavositioentrelasprincipalesempresaspetrolerastalescomo Exxon/Mobil, Royal Dutch/Shell, BP, PDVSA, Elf Aquitaine y Texaco. Estas posiciones reflejan la importancia que tiene Pemex como empresa petrolera en el contextointernacionalyelsignificadoeconmicoquerepresentaparaeldesarrollode Mxico. 1.3 ESTADO DEL ARTE EN LA ADQUISICIN DE INFORMACIN DE POZOS 1.3.1Pruebas de Presin y Toma de InformacinEnlasactividadesmencionadasdePEMEX,elInstitutoMexicanodelPetrleo(IMP), creadoen1965conlavisindesatisfacerlasnecesidadestecnolgicasdePEMEX, representaunfactorderelevanciaparalainvestigacincientficayeldesarrollo tecnolgico dentro de la industria petrolera nacional, dado que PEP tiene la necesidad de incrementar la recuperacin de hidrocarburos en las diferentes regiones, con la aplicacin desistemasptimosdeproduccinaplicandotecnologaseficientesparaelcontrolde pozos, as como optimizar el diseo de sistemas de acuerdo a las caractersticas de los fluidos y condiciones mecnicas de los pozos, por lo que la toma de informacin basada enlasvariacionesdepresinenelfondoysuperficiedelpozo,tendrnunimpacto importante en el estudio y explotacin de los yacimientos. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 6Elpresentetrabajopretenderesponderastasnecesidades,yaquesteseplasmael resultado de complementar las actividades desarrolladas en laboratorio y las actividades de campo por personal de Sistemas y Herramientas para la Adquisicin de Informacin de Pozos (SHAIP), grupo al que pertenece el autor oficialmente desde Diciembre de 2003. ElgrupoSHAIP,pertenecientealagerenciadeExploracinyProduccindelIMP, congruenteconlasnecesidadesdePEP,tienecomoobjetivoproporcionarsoluciones tecnolgicasquerespondanalosrequerimientosrealesdePEP,obteniendodatosde entrada directamente de las reas operativas de PEMEX, para luego ofrecer una solucin tecnolgica, resultando un ciclo que se convierte en el eje toral de nuestra actividad. Actualmente se presenta la participacin de grandes empresas trasnacionales dedicadas a laexplotacindepetrleo,comosonSchlumberger(Francesa),Halliburton(USA)y Weatherford(Canadiense)principalmente,quienescuentanconunagraninfraestructura tecnolgica,lacualofertanaPEP,enocasionesagrandescostosyconunaseriede condiciones desfavorables, por lo que corresponde al IMP ofertar soluciones con soporte deprofesionalesmexicanos,contecnologasdesarrolladasacondicionadaspara resolver las necesidades de la industria nacional. En la industria petrolera, la medicin y anlisis de las variaciones de presin en el fondoy superficie de un pozo productor de aceite, gas o inyector de agua,tiene como objetivo primordialobtenerinformacindelsistemaroca-fluidos,esencialparaexplotar eficientemente los yacimientos. Laspruebasdepresinconsistenesencialmenteengeneraryregistrarvariacionesde presinenelfondoysuperficiedeunoovariospozosduranteunperiododetiempo determinado.Estasvariacionesdepresinenelfondo,segeneranmodificandolas condiciones de produccin o inyeccin de un pozo. Elobjetivoderealizarunapruebadepresinesobtenerinformacincaractersticadel sistema roca-fluidos y de los mismos pozos, a partir de variaciones de presin registradas, lascualesrepresentanlarespuestadelyacimiento,yqueapartirdeunmodelode interpretacin, es posible determinarlos parmetros del yacimiento y del pozo tales como capacidad de flujo, dao a la formacin, presin promedio del yacimiento, volumen poroso, parmetrosdesistemasfracturados,fracturasinducidas,discontinuidades, heterogeneidades, Interferencia entre pozos ylmites fsicos. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 7Existendistintosprocedimientosparalarealizacindeunapruebadepresin,lasms comunestantoporelaspectooperativocomoporeltratamientomatemticosonlas denominadaspruebasdedecrementoeIncrementodepresin;sinembargo,enla mayora de los casos, el tipo de prueba a realizar depender del objetivo de la misma. Laimportanciadelamedicinyregistroensuperficiedelapresinradica fundamentalmente en que lo observado en superficie es un reflejo de lo que sucede en el fondodelpozoalllevaracabolos diversas tiposdepruebasdepresin,en lascuales todas las mediciones de superficie son realizadas en el rbol de vlvulas del pozo.A continuacin se describe a grandes rasgos las caractersticas de las pruebas de presin de uso ms comn y sus objetivos fundamentales. 1.3.1.1 PRUEBA DE DECREMENTO Unapruebadedecrementodepresinessimplementeunaseriedemedicionesdela presindefondohechasduranteunperododeflujoenelcualseconsideragasto constante. El pozo se cierra antes de correr la prueba por un perodo de tiempo grande (tiempo t, ver figura 1.3.1)que permita que la presin de fondo del pozo se estabilice (Pws constante) Donde: Pws =Presin de fondo esttica kgf/cm2 (lbf/pulg2) P =Presin kgf/cm2(lbf/pulg2) Q =Gasto aportado por el pozo m3/seg, lt/seg (bl/min, GPM) t =Tiempo inicial de la prueba (seg) tP =Tiempo de produccin (seg) Fig. 1.3.1 Curvas de unaPrueba de decremento de presin Posteriormente, al abrirse el pozo a produccin, comienza a decaer la presin de fondo, como se observa en la curva de Pws, siendo la obtencin de sta curva el motivo de la operacin, mientras se observa un gasto constante en la lnea de produccin.Curva de decremento Apertura del pozo Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 8La informacin que puede obtenerse de una prueba de decremento de presin en un pozo es: obtener la permeabilidad de la formacin, determinar el dao o estimulacin inducidos en la vecindad del agujero durante la perforacin o terminacin del pozo, y determinar el volumen poroso del yacimiento. 1.3.1.2 PRUEBA DE INCREMENTO Las pruebas de incremento de presin son las ms utilizadas en la industria petrolera. Una razn de su preferencia es que cuando el pozo es cerrado durante el rgimen transitorio, la prueba de incremento posiblemente alcance la presin inicial del yacimiento, Pi.Porotrolado,sielpozosecierradeformatalquesealcanceelperododeflujo pseudoestacionario, entonces ser posible determinar la presin promedio del yacimiento en el rea de drene del pozo. En este tipo de pruebas, el pozo produce a gasto constante durante un cierto perodo,se introduceunregistradordentrodelpozoyposteriormenteelpozosecierra(Verfigura 1.3.2).Lapresinseregistrainmediatamentedespusdelcierrecomounafuncindel tiempo durante el perodo de cierre.

Fig.1.3.2 Curva de una Prueba de incremento de presin Gasto constante Cierre del pozo Curva de incremento Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 91.3.1.3 PRUEBA DE INYECCIN LaspruebasdeInyeccinenpozosinyectorestienenaplicacinenoperacionesde mantenimiento de presin por inyeccin de agua o gas. En la mayora de los casos los objetivos de una prueba en pozos inyectores son los mismos que para pruebas en pozos productores, es decir, la determinacin de las propiedades pozo-yacimiento.En una prueba de inyeccin el pozo se cierra hasta que la presin se estabiliza y entonces seinicialainyeccinagastoconstantemientras segrabalapresin defondofluyendo (Pwf).Sielfluidoinyectadotienelasmismaspropiedades,densidad,viscosidady caractersticasquelosfluidosdelyacimiento,entoncesunapruebadeinyeccinsera idnticaaunapruebadedecrementodepresin,exceptoqueelgastoconstantesera negativo (Ver figura 1.3.3)

Fig.1.3.3 Prueba de Inyeccin 1.3.1.4 PRUEBA FALL OFF Una prueba fall-off es anloga a una prueba de incremento en un pozo productor.Se realizalainyeccinagastoconstante(Q)yaltrminodestaelpozosecierraenel tiempo tP (Ver figura 1.3.4). Los datos de presin tomados inmediatamente antes y durante el perodo de cierre son analizados como datos de incremento de presin. La informacin acerca de las condiciones del yacimiento, son de gran importancia para los estudiosdecaracterizacindeyacimientos,parapredeciradecuadamentesu Incremento de la presin debido a la inyeccin Inyeccin que representa un gasto negativo Presin de fondo Esttica Pws (Presin inicial) Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 10comportamiento y estimar producciones futuras basados en los datos de presin y gasto medidos a condiciones de fondo o de superficie de pozo. Fig. 1.3.4Prueba Fall - off 1.3.2Factores que afectan la respuesta delas pruebas de presin. Dos de los factores ms importantes que afectan las presiones medidas en un pozo, son el dao a la formacin y el almacenamiento de pozo. 1.3.2.1 El dao a la formacin Se refiere a la alteracin de la permeabilidad en la vecindad del pozo ocasionada por la invasin de fluidos y slidos durante la perforacin, terminacin, estimulacin y reparacin delospozo,dichamodificacinalascondicionesoriginalesdelyacimientooriginan restriccin adicional al flujo en un zona cercana al pozo, reflejada en una cada de presin adicional, este efecto es representado por el factor de dao S. 1.3.2.2 Almacenamiento de pozo. Enlaprcticasehademostrado,queelvolumenfinitodeunpozoyelfluidodentro mismo, afectan las mediciones de presin realizadas. Por ejemplo, si se cierra un pozo en lasuperficie,elgastoquesetieneenlacaradelaformacinnosesuspende inmediatamente y el fluido contina entrando al pozo, hasta que la presin ejercida por los fluidos almacenados es capaz de detener el flujo de fluidos de la formacin hacia el pozo, este efecto es conocido como almacenamiento de pozo. Incremento de la presin debido a la inyeccin Inyeccin a gasto constante Fin de lainyeccin (tp) Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 11Cuandounpozoquehapermanecidocerradoporuntiempoprolongado,seabre sbitamente en la superficie,el aporte de hidrocarburos que se tendr al inicio (q), ser debidoaladescargadelpozo,mismaquegradualmentedisminuyeacero,y paralelamente,el yacimiento empieza a aportar, por lo tanto, un gasto constante (qcte)en la superficie es la suma de los dos gastos que cambian en sentidos opuestos, esto es, la descarga del pozo que disminuye ms el flujo de la formacin que aumenta. De lo anterior se establece que el efecto de almacenamiento de pozo est asociado con un gasto de la formacin que vara continuamente, originado por la compresin del fluido y el movimiento de la interfase gas-lquido. El coeficiente de almacenamiento de un pozo no es constante a lo largo de una prueba de variacin de presin, cambios repentinos en el coeficiente de almacenamiento son fciles de visualizar y ocurren con relativa frecuencia. Cuandounpozoinyectorconaltapresinenlacabezadelpozoescerradoparauna pruebadeinyeccinfall-off,lapresinenlacabezapermanecealtainmediatamente despus del cierre, sin embargo, minutos despus, la presin de fondo cae por debajo de la presin hidrosttica, el nivel de lquido empieza a caer y forma un vaco; cuando esto sucede, el coeficiente de almacenamiento se incrementa de un coeficiente por compresin de fluido a otro por cada en el nivel de lquido. Como se puede notar en los conceptos arriba descritos, el valor de la presin, as como su diferencialsonelementosfundamentalesparaladeterminacindelosparmetrosdel yacimiento ya mencionados. Debido a que los investigadores en pruebas de variacin de presin, matemticamente no haneliminadoelproblemadelefectodealmacenamiento,enlaindustriapetrolera mundial, se han destinado grandes cantidades de dinero en el desarrollo de tecnologas tendientesaeliminardichoefecto,yaunquesolohanconseguidominimizarlolas compaas que brindan este servicio lo hacen a costos elevados. Por tal motivo,especialistas del Grupo de Sistemas y Herramientas para la Adquisicin de Informacin de Pozos del Instituto Mexicano del Petrleo se dieron a la tarea de estudiar la metodologa para eliminar el efecto de almacenamiento de pozo en pruebas de inyeccin porloquesepropusoeldiseoyconstruccindeunsistemacapazdeeliminaro Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 12minimizardichoefecto,ascomodarseguimientoalaaplicacindeestatecnologaen campo. El sistema planteado consiste en la instalacin de una herramienta en el fondo del pozo (Verfigura1.3.5),adicionandounasondadememoriaalaherramienta,habilitandoal conjunto para almacenar datos de presin y temperatura. Comocomplementoadichaherramienta,esrequeridounsistemadeadquisiciny almacenamientoensuperficie de los datos generados a cabeza de pozo de modo que sea posible tener informacin en tiempo real que permita tomar decisiones respecto a las operacionesenelpozo,yposteriormenterecuperarlainformacingeneradapara observar el comportamiento global del pozo para un anlisis ms detallado. Fig.1.3.5Herramienta de cierre en fondo para pozo. Para poder enfrentar tecnolgicamente los retos que impone la industria petrolera, en lo queconciernealasactividadesdelgrupoSHAIP,sedisponedeunainfraestructura apropiadaconlaqueesposiblesimularunagrancantidaddecondicionesrealesde operacin, laboratorios para calibracin de presin y temperatura, taller de manufacturas, reasdeensambleyceldasparaaltapresin,ascomoprogramasdecmputopara anlisis,diseo,ysimulacindepozos,circuitoselectrnicosyestructurasyelementos mecnicos,paralocualelgrupodeSHAIPestconformadoporpersonalaltamente calificado y con gran experiencia en reas como ingeniera petrolera, mecnica, qumica y electrnica, desarrollando actividades tanto de laboratorio como en campo, actividades a las cuales he sido integrado, principalmente en operaciones de campo. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 131.4REGISTRO DE DATOS EN SUPERFICIE. Cuandosemencionaestaoperacin,debevisualizarseelequipooaditamentosde medicinjustamentefueradelpozo,colocadosenelrboldevlvulas,elcualesla terminacinensuperficiedelaconstruccinqueseconocecomopozo,delquea continuacin se muestra una imagen con su estructura ms comn: Fig. 1.4.1 Representacin grfica de un pozo petrolero Unpozopetroleroesunconductoquecomunicaelyacimientoquecontienealos hidrocarburos, con la superficie. Es de geometra circular y esta conformado por tuberas de diferentes dimetros ylongitudes dependiendo de las caractersticas del subsuelo y la profundidaddelyacimiento.Estearreglodetuberasdaestabilidadmecnicaalpozoy permiten que los hidrocarburos fluyan desde el yacimiento hasta la superficie.Talcomosaledelospozos,elpetrleocrudorequieresersometidoadiferentes procesos de refinacin, fraccionamiento y transformacin qumica, para poder ser utilizado en forma comercial.PEMEX BLUE YACIMIENTO Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 14Elrboldevlvulaseselelementoquepermitirconectaralpozodispositivosde medicin como son mangrafos, manmetros, sensores y todos los elementos necesarios para realizar un registro superficial en el pozo, dado que dispone de bridas y conexiones de diferentes medidas. Un rbol de vlvulas tpico se muestra en la siguiente figura: Figura 1.4.2 Arbol de vlvulas (Pozo Agua Fra 813P.R. Ver.) 1.4.1 Manmetro Undispositivodemedicinusadocomnmenteenloscampospetrolerosesel manmetro,elcual,conectadodirectamentealalneaquetienelapresindeinters, proporcionalosdatosdeseados,sinembargolamedicinesinstantneaydebeser observadayanotadadirectamenteporelusuariooporotrosmedioscomolacaptura fotogrfica. Fig. 1.4.3Manmetro Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 151.4.2. Mangrafo Enloscampospetrolerosescomnencontraruntipoderegistradorconocidocomo mangrafo (fig. 1.3.4),el cual constade un dispositivo de rotacin sobre el cual se coloca una carta denominada manogrfica que cuenta con una serie de divisiones radiales que corresponden a las unidades de tiempo a registrar, comnmente se trata de horas, para lo cual se calibra el mangrafo para que una rotacin completa corresponda a 1 da. Fig. 1.4.4Mangrafo Este dispositivo opera de la siguiente manera: cuenta con una plumilla que se desplaza sobre el papel en direccin radial, proporcionalmente a la a la presin registrada, mientras la carta manogrfica gira hasta completar una revolucin, equivalente al periodo deseado de registro.De este modo la marca dejada por la plumilla ser el nivel de presin que ser ledo por los encargados de monitorear el pozo de inters. Losdispositivosmencionadoscumplendemaneraadecuadalosrequerimientos inmediatos del usuario, en este caso el personal del rea de Produccin de PEMEX, sin embargo hay operacionesno rutinarias como son las pruebas de presin, instalacin de estranguladoresdefondo,pormencionaralgunasenlascualeslosdispositivosde medicin deben poseer mejores caractersticas para obtener la informacin requerida, lo cualestemadelapresentetesis:superarlaslimitacionesdelosmedidores convencionales. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 16 Capitulo 2: Necesidad tecnolgica y planteamiento de solucin 2.1Identificacin de la necesidad tecnolgica Enlasdiversasoperacionesenpozospetrolerosrealizadasporpersonalespecializadode PEMEX se obtienen una diversidad de datos caractersticos del pozo y yacimiento petrolero a estudiar,comosonpresin,temperatura,RGA(relacingas-aceite),resistividad,datosde cementacinconregistrosnico,saturacinconrayosgammaentreotros,loscualesse obtienen con diversas herramientas y sensores que pueden ser introducidas al pozo, es decir herramientas de fondo o bien pueden ser colocados en superficie es decir en el rbol de vlvulas.Paraelcasodelpresentetrabajo,sepretendeobtenerdatosdesuperficie (magnitudes de presin o temperatura por ejemplo) con el uso de sensores colocados en el rboldevlvulasdelpozo(verfigura2.1.1)cuyousosercomplementadoconlas herramientas y equipo de fondo para obtener informacin integral. Figura 2.1.1rbol de vlvulas de pozo La informacin requerida para el estudio de los pozos y yacimientos puede ser obtenida por medio de dispositivos convencionales, como los ya mencionados en el captulo anterior, sin embargo, su uso representa algunas desventajas en operaciones de registro en las que se requiere contar con datos de medicin tomados en intervalos cortos de tiempo como 10, 5 o incluso 1 segundo, dada la dificultad de realizar un registro manual de estas caractersticas, en periodos de hasta 72 horas, que es el periodo de tiempo estndar para una prueba de inyeccin para un pozo, en donde los datos pueden ser crticos segundo a segundo dadas lascaractersticasdedichaspruebas,oporotrolado,enpruebasconocidascomode Produccin en las cuales el tiempo de registro se prolonga incluso hasta 30 das . Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 17 Asimismo, los datos obtenidos visualmente en los medidores sern obtenidos con errores de precisin y paralaje, esto para el caso de los manmetros; en cuanto a los mangrafos, que pueden registrar valores por periodos de tiempo mayores durante una prueba o monitoreo de rutina, sin embargo son sensibles a las manipulaciones bruscas y proporcionan valores poco exactosdependiendoellodelacalibracindelosmismos,laescaladelascartas manogrficas o incluso los marcadores o plumillas para el trazado de las curvas. Dadoquelainformacinrecopiladaqueseobtienedelascartasmonogrficasesuna impresin,es requisito si se desea tener los datos en formato electrnico hacer el vaciado correspondiente en forma manual, para posibilitar la interpretacin de los datos directamente sobre la carta manogrfica. Encomplementoaloanterior,esimportantesealarquelasoperacionesrealizadas alrededordeunpozopetrolero,implicanmaniobrasydesplazamientodeequiposo herramientas, por lo que se requiere que el personal tcnico se ubique a cierta distancia del rboldevlvulas,especialmentedurantelarealizacindemaniobrasderiesgo,donde solamentepersonalcapacitadoyautorizadopuedepermanecerenelrea,porloqueel hecho de monitorear en forma tradicional los parmetros de inters, implica la presencia del encargado de dicha operacin cerca del rbol de vlvulas lo cual en situaciones especficas para algunas operacionesse encuentra prohibido o limitado lo que dificulta el registro, o en caso de una fuga u otro contratiempo sera imposible la lectura y registro. Puedeconcluirseentoncesquelosdispositivosdemedicinencuestinrequierendeun manejo directo y dedicado de parte del usuario, a pesar de las desventajas ya reseadas, por lo que uno de los objetivos del presente trabajo es superar esos puntos. Elobjetivocentraldeloqueenadelantellamar SistemadeAdquisicindeDatosde Superficie (SIADS),objetodelapresentetesis,consisteenobtenerinformacindelas magnitudes fsicas observadas en cabeza del pozo (presin, temperatura etc.), en el rbol de vlvulas,enintervalosconstantes,representandounaoperacinsegurayconfiable, registrando y almacenando la informacin obtenida para ser posteriormente analizadas por el Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 18personal especializado dedicado a su interpretacin, siendo el SIADS el intermediario entre la magnitud fsica detectada por el sensor y el dispositivo lector (PC o Lap top). ElconceptodeoperacindelSIADSsemuestraeneldiagramaabloquessiguiente, conteniendo los elementos mnimos necesarios: Fig. 2.1.2Concepto bsico de operacin Cabe recalcar que el presente desarrollo surge de la necesidad de toma de informacin en campo,sinembargoestedispositivoporsuscaractersticas,seconcibecomouna herramientadegran utilidadpara diversas pruebas delaboratorioyaplicacionesas como para el registro de cualquier magnitud fsica mientras se cuente con los sensores adecuados, los cuales deben ser caracterizados y calibrados. Enbasealasnecesidadesobservadasendiversasoperacionesdecampofueron establecidos los requerimientos mnimos siguientes para el sistema: A)Querealiceelregistrorequeridosinnecesidaddesupervisindedicada,perocon acceso a la informacin actualizada en cualquier momento. B)Que cuente con la capacidad de llevar a cabo el registro de la informacin de manera precisa disminuyendo errores debido al factor humano ( precisin, paralaje, cansancio ). C)Tenga la capacidad de almacenar la informacin proveniente de sensores ubicados en laslneasdeintersylaposibilidadderecuperarlaposteriormenteenunformato adecuado para su manejo y anlisis posterior.D)Que cuente con las caractersticas de resistencia para uso rudo en campo, autonoma deenerganecesariaparamantenerelsistemafuncionandoelmnimodetiempo requerido para una prueba, contando con todos los accesorios necesarios y suficientes Sistema de Adquisicin de DatosDisposi tivo de almacenamientoComunicacin del sistema Dispositivo Lector InformacinEscuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 19paraoperarencampoencondicionesacordealaregindondesearequerido (humedad, altas temperaturas). E)Lascaractersticasdevisualizacindelsistemadebernserdegranaccesibilidady sencillez, as como el acceso de la informacin registrada.F)Encuantoalaspectodeconstruccin,esnecesarioidentificarcomponentesy materialesasequiblesenelmercadonacionaldemodoqueseaposibleduplicar, modificar o escalar el sistema a corto y mediano plazo. G)Deben considerarse que tipo de equipos, protocolos y conexiones relacionados con su operacin se encuentran comnmente en uso.H)Debeconsiderarse queel equipo operarenambientesdonde laexplosividad puede ser alta debido a la presencia de gases, por lo que es requerido que el sistema est facultado para operar con seguridad en este tipo de ambientes. 2.2Propuesta de Solucin Por lo que ha sido planteado en el punto anterior, considerando los requerimientos mnimos, es posible proponer una serie de criterios y posibles componentes para el SIADS: A) Los sensores de registro de las magnitudes fsicas usarn el estndar de medicin 4-20 mA,queeseltipodeestndardemanejomscomnanivelindustrialycomercial, requirindose sensores que cumplan con la norma NEMA 4, as como sus accesorios para operacin en ambientes explosivos, as como estabilidad en ambientes de alta humedad y temperatura. Los sensores propuestos con stas caractersticas son los de tipo Smart de la marca Rosemount, de amplio uso en el mbito de laboratorios y en operaciones de campo tanto de parte de PEMEX como del IMP. B) Por las necesidades de administracin de los datos, manejo de interfaces y transmisin, se propone que el cerebro del SIADS sea un microcontrolador, que integrado en un sistema mnimo tendr la capacidad de realizar las tareas requeridas. C)Ser necesario contar con un convertidor analgico digital para convertir las seales del sensor del sistema 4-20 a formato digital, de manera que sea posible manipular y almacenar la informacin generada.Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 20D) El almacenamiento de los datos se har en una memoria EEPROM, por las caractersticas intrnsecas de este tipo de memorias, aunque nos descarta el uso de otro tipo de memorias. E) El sistema contar con alimentacin elctrica por medio de bateras de CD recargables con capacidad de proporcionar la energa para la operacin del sistema el tiempo mximo estndar de operacin. F) El dispositivo de lectura ser una PC convencional o Laptop con un software desarrollado con las caractersticas necesarias para la lectura de la informacin generada por el SIADS, estableciendo comunicacin por medio del puerto serie usando un cable tipo DB9.G) El SIADS deber ser desarrollado dentro de un mdulo de contencin adecuado para un ambiente probablemente explosivo, por lo que se propone un contenedor de ultraalto impacto que cumpla con la norma NEMA 4. En este punto es posible realizar un diagrama general a bloques del sistema desde el puntodevistadehardware,aunqueintrnsecamenteseconsideraelalgoritmode programacin tambin como elemento fundamental del todo, incorporando los componentes yarelacionados,comosonlossensores,eldispositivodealmacenamiento(memoria EEPROM), la interface final con el usuario (PC/Lap top) y el sistema principal que cuenta con losrecursosnecesariosparalacomunicacintantointerna(pormediodelaSPISerial Perifheral Interface) como externa (UART Universal Asincronuos Receiver Transmitter ) as como con el convertidor A/D, como se muestra a continuacin: Fig.2.2.1 Esquema general de operacin S0 S1 S2 Sn EEPROMPCMICROCONTROLADOR UARTCAD SPIEscuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 21Capitulo 3:Diseo delSistemadeAdquisicinde Datos de Superficie (SIADS) EnelpresentecaptuloseplantearlaformaenqueelSIADSserconformado, mencionandocualessernlascaractersticasdeloscomponentesbsicosyaccesorios asociados a su operacin, as como los requerimientos mnimos para el sistema. Asimismoserevisarlaoperacindecadaunadelasetapasdelsistemaascomola operacin en conjunto. 3.1 MicrocontroladorRecibeelnombredecontroladoreldispositivoqueseempleaparaelgobiernodeunoo varios procesos, y aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a travs del tiempo,suimplementacinfsicahavariadofrecuentemente.Hacetresdcadas,los controladoresseconstruanexclusivamenteconcomponentesdelgicadiscreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de memoria yE/Ssobreunatarjetadecircuitoimpreso.Enlaactualidad,todosloselementosdel controladorsehanpodidoincluirenunchip,elcualrecibeelnombredemicrocontrolador. Realmenteconsisteenunsencilloperocompletocomputadorcontenidoenuncircuito integrado. Unmicrocontroladoresuncircuitointegradodealtaescaladeintegracinqueincorporala mayorpartedeloselementosqueconfiguranuncontroladorydisponenormalmentedelos siguientes componentes: Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso). Memoria RAM para Contener los datos. Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM. Lneas de E/S para comunicarse con el exterior. Diversos mdulos para el control de perifricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analgico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analgico, etc.). Generador de pulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 22En los productos que para su regulacin incorporan un microcontrolador, es posible enunciar las siguientes ventajas: Aumentodelafiabilidad:alreemplazarelmicrocontroladorporundeterminadonmerode elementos disminuye el riesgo de averas y se precisan menos ajustes. Reduccindeltamaoenelproductoacabado:Laintegracindelmicrocontroladorenun chip disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks. Mayorflexibilidad:lascaractersticasdecontrolestnprogramadasporloquesu modificacin slo necesita cambios en el programa de instrucciones. El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los componentes deuncomputador.Debidoasureducidotamaoesposiblemontarelcontroladorenel propiodispositivoalquegobierna.Enestecasoelcontroladorrecibeelnombrede controlador empotrado (embedded controller). Existe una gran diversidad de microcontroladores. Quiz la clasificacin ms importante sea entremicrocontroladoresde4,8,1632bits.Aunquelasprestacionesdelos microcontroladores de 16 y 32 bits son superiores a los de 4 y 8 bits, la realidad es que los microcontroladores de 8 bits dominan el mercado y los de 4 bits se resisten a desaparecer. La razn de esta tendencia es que los microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para lagranmayoradelasaplicaciones,loquehaceabsurdoemplearmicrosmspotentesy consecuentementemscaros.Unodelossectoresquemsinfluyeenelmercadodel microcontroladoreselmercadoautomovilstico.Dehecho,algunasdelasfamiliasde microcontroladoresactualessedesarrollaronpensandoenestesector,siendomodificadas posteriormenteparaadaptarseasistemasmsgenricos.Elmercadodelautomviles ademsunodelosmsexigentes:loscomponenteselectrnicosdebenoperarbajo condiciones extremas de vibraciones, choques, ruido, etc. y seguir siendo fiables. El fallo de cualquier componente en un automvil puede ser el origen de un accidente. Encuantoalastcnicasdefabricacin,cabedecirqueprcticamentelatotalidaddelos microcontroladoresactualessefabricancontecnologaCMOS4(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor). Esta tecnologa supera a las tcnicas anteriores por su bajo consumo y alta inmunidad al ruido. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 23Tambinlosmicrocontroladoresde32bitsvanafianzandosusposicionesenelmercado, siendolasreasdemsinterselprocesamientodeimgenes,lascomunicaciones,las aplicacionesmilitares,losprocesosindustrialesyelcontroldelosdispositivosde almacenamiento masivo de datos. 3.1.1 Seleccin del microcontrolador Al seleccionar el microcontrolador a emplear en un diseo concreto debe tenerse en cuenta factores como la documentacin, herramientas de desarrollo disponibles y precio, la cantidad defabricantesqueloproducenyporsupuestolascaractersticasdelmicrocontrolador(tipo de memoria de programa, nmero de temporizadores, interrupciones). Antesdeseleccionarunmicrocontroladoresimprescindibleanalizarlosrequisitosdela aplicacin: Procesamientodedatos:puedesernecesarioqueelmicrocontroladorrealiceclculos crticosenuntiempolimitado.Enesecasodebemosasegurarnosdeseleccionarun dispositivosuficientementerpidoparaello.Porotrolado,habrquetenerencuentala precisin de los datos a manejar: si no es suficiente con un microcontrolador de 8 bits, puede sernecesarioacudiramicrocontroladoresde1632bits,oinclusoahardwaredecoma flotante.Unaalternativamsbaratayquizsuficienteesusarlibrerasparamanejarlos datos de alta precisin.Entrada/Salida:paradeterminarlasnecesidadesdeEntrada/Salidadelsistemaes convenientedibujarundiagramadebloquesdelmismo,detalformaqueseasencillo identificar la cantidad y tipo de seales a controlar. Una vez realizado este anlisis puede ser necesarioaadirperifricoshardwareexternosocambiaraotromicrocontroladorms adecuado a ese sistema. Consumo:algunosproductosqueincorporanmicrocontroladoresestnalimentadoscon bateras y su funcionamiento puede ser tan vital como activar una alarma antirrobo. Lo ms conveniente en un caso como ste puede ser que el microcontrolador est en estado de bajo consumoperoquedespierteantelaactivacindeunaseal(unainterrupcin)yejecuteel programa adecuado para procesarla. Memoria: para detectar las necesidades de memoria de una aplicacin debemos separarla enmemoriavoltil(RAM),memorianovoltil(ROM,EPROM)ymemorianovoltil Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 24modificable(EEPROM),dondeesteltimotipodememoriapuedesertilparaincluir informacinespecficadelaaplicacincomounnmerodeserieoparmetrosde calibracin. Eltipodememoriaaemplearvendrdeterminadoporelvolumendeequiposprevistopara su aplicacin: de menor a mayor volumen ser conveniente emplear EPROM, OTP y ROM. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede ser imprescindible realizar una versin preliminar,aunqueseaenpseudo-cdigo,delaaplicacinyapartirdeellahaceruna estimacindecuntamemoriavoltilynovoltilesnecesariaysiesconvenientedisponer de memoria no voltil modificable. Ancho de palabra: el criterio de diseo debe ser seleccionar el microcontrolador de menor ancho de palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicacin. Usar un microcontrolador de 4 bits supondr una reduccin en los costes importante, mientras que uno de 8 bits puede ser el ms adecuado si el ancho de los datos es de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32bits,debidoasuelevadocosto,debenreservarseparaaplicacionesquerequieransus altas prestaciones (Entrada/Salida potente o espacio de direccionamiento muy elevado). Diseo de la placa: la seleccin de un microcontrolador concreto condicionar el diseo de laplacadecircuitos.Debetenerseencuentaquequizusarunmicrocontroladorbarato encarezca el resto de componentes del diseo. Losmicrocontroladoresmspopularesseencuentran,sinduda,entrelasmejores elecciones: 8048 (Intel). Es el padre de los microcontroladores actuales, el primero de todos. Su precio, disponibilidad y herramientas de desarrollo hacen que todava sea muy popular. 8051 (Intel y otros). Es sin duda el microcontrolador ms popular. Fcil de programar, pero potente. Est bien documentado y posee cientos de variantes e incontables herramientas de desarrollo. 80186,80188y80386EX(Intel).Versionesenmicrocontroladordelospopulares microprocesadores8086y8088.Suprincipalventajaesquepermitenaprovecharlas herramientas de desarrollo para PC. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 2568HC11 (Motorola y Toshiba). Es un microcontrolador de 8 bits potente y popular con gran cantidad de variantes (/A8, /A0, /A1, /B8, /B1, /B0, /E9, etc.) en lo referente a dimensiones de las memorias RAM, ROM y EPROM. 683xx (Motorola). Surgido a partir de la popular familia 68k, a la que se incorporan algunos perifricos. Son microcontroladores de altsimas prestaciones. PIC (MicroChip). Familia de microcontroladores que gana popularidad da a da. Fueron los primeros microcontroladores RISC. AVR(Atmel)SonunafamiliademicrocontroladoresRISC.ComolosPIC,tieneuna comunidad de seguidores (ejemplificadas por el foro de internet AVRFreaks), principalmente debido a la existencia de herramientas de desarrollo gratuitas o de bajo costo.Es preciso resaltar en este punto, que existen innumerables familias de microcontroladores, cadaunadelascualesposeeungrannmerodevariantesenloreferenteasus caractersticas,porloqueelanlisis destasltimas, costoyasequibilidadenelmercado, sernlosprincipalescriteriosparallevaracabolaseleccindelmicrocontroladorms adecuado. Recursos EspecialesCada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura bsica de microcontrolador, en algunas ampla las capacidades de las memorias, en otras incorpora nuevos recursos, en otrasreducelasprestacionesalmnimoparaaplicacionesmuysimples,etc.Lalabordel diseadoresencontrarelmodelomnimoquesatisfagatodoslosrequerimientosdesu aplicacin.Deestaforma,minimizarelcoste,elhardwareysoftware,esdecir,lashoras-hombre invertidas en la programacin. Los principales recursos especficos que incorporan los microcontroladores son: Temporizadores o "Timers". Perro guardin o "Watchdog". Proteccin ante fallo de alimentacin o "Brownout". Estado de reposo o de bajo consumo. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 26 Conversor A/D. Conversor D/A. Comparador analgico. Modulador de anchura de impulsos o PWM. Puertos de E/S digitales. Puertos de comunicacin. Para el presente trabajo se determin que la mejor opcin en cuanto a la seleccin del microcontroladorautilizareslafamiliadelosAVR,quesonunafamiliade microcontroladoresRISCdeAtmel.LaarquitecturadelosAVRfueconcebidapordos estudiantes en el Norwegian Institute of Technology, y posteriormente refinada y desarrollada en Atmel Norway, la empresa subsidiaria de Atmel, fundada por los dos arquitectos del chip. ElAVResunaCPUdearquitecturaHarvard.Tiene32registrosde8bits.Algunas instrucciones slo operan en un subconjunto de estos registros. La concatenacin de los 32 registros,losregistrosdeentrada/salidaylamemoriadedatosconformanunespaciode direcciones unificado, al cual se accede a travs de operaciones de carga/almacenamiento. AdiferenciadelosmicrocontroladoresPIC,elstackpointerseubicaenesteespaciode memoria unificado, y no est limitado a un tamao fijo. ElAVRfuediseadodesdeunprincipioparalaejecucineficientedecdigoCcompilado, por lo que, algunas instrucciones tales como 'suma inmediata' ('add immediate' en ingls) por poner algn ejemplo, no estn contempladas en el set de instrucciones, ya que la instruccin 'resta inmediata' ('substract immediate' en ingls) con el complemento dos puede ser usada como alternativa, obteniendo el mismo resultado. ElsetdeinstruccionesAVRestimplementadofsicamenteydisponibleenelmercadoen diferentes dispositivos, que comparten el mismo ncleo AVR pero tienen distintos perifricos y cantidades de RAM y ROM: desde el microcontrolador de la familia Tiny AVR ATtiny11 con 1KB de memoria flash y sin RAM (slo los 32 registros), y 8 pines, hasta el microcontrolador delafamilaMegaAVRATmega2560con256KBdememoriaflash,8KBdememoriaRAM, 4KBdememoriaEEPROM,conversoranlogodigitalde10bitsy16canales, Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 27temporizadores,comparadoranalgico,JTAG,etc.Lacompatibilidadentrelosdistintos modelos es preservada en un grado razonable. Los microcontroladores AVR tienen una caera ('pipeline' en ingls) con dos etapas (cargar yejecutar),quelespermiteejecutarlamayoraenunciclodereloj,loqueloshace relativamente rpidos entre los microcontroladores de 8-bit. ElsetdeinstruccionesdelosAVResmsregularqueeldelamayoradelos microcontroladoresde8-bit(porejemplo,losPIC).Sinembargo,noescompletamente ortogonal, es decir : a) Los registros punteros X, Y y Z tienen capacidades de direccionamiento diferentes entre s.b) Los registros 0 al 15 tienen diferentes capacidades de direccionamiento que los registros 16 al 31.c)Las registros de I/O 0 al 31 tienen distintas caractersticas que las posiciones 32 al 63.d)LainstruccinCLR afectalos'flag',mientrasquelainstruccinSERnolohace,apesardeque parecenserinstruccionescomplementarias(dejartodoslosbitsen1,ydejartodoslosbitsen0 respectivamente). Se encontr que estos dispositivos son bastante asequibles en el mercado electrnico y las hojasdeespecificacionesseencuentranfcilmenteenInternet,ademsdecontarcon herramientasdedesarrollogratuitascomoAVRStudio,ydesercompatiblesconmuchas herramientasparaelgrabadodecdigo.Estosmicrocontroladoresestnsoportadospor tarjetasdedesarrollodecostorazonable,capacesdedescargarelcdigoal microcontrolador. PorloanteriorfueseleccionadoelmicrocontroladorATMEGA16quecuentaconlas caractersticasnecesariasparalasolucinpropuestaenelpresentetrabajo,yaquecuenta conunconvertidoranalgico/digital,quelepermitirprocesardigitalmentelainformacin provenientedelossensores,conunainterfaceserialSPImaster/slaveyconunaUSART serial programable que permitir interactuar con la PC para el vaciado de la informacin as como para la modificacin de algunos parmetros de operacin.Todos stas caractersticas referidas sern vistas ms a detalle en el desarrollo de este trabajo (tambin en anexo II). Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 283.1.2Software para desarrollo de aplicaciones. Uno de los factores ms importantes al seleccionar un microcontrolador entre los existentes enelmercado,eselsoportetantoalsoftwarecomoalhardwaredequedispone.Unbuen conjuntodeherramientasdedesarrollopuedeserdecisivoenlaeleccin,yaquepueden suponer una ayuda inestimable en el desarrollo del proyecto. Lasprincipalesherramientasdeayudaaldesarrollodesistemasbasadosenmicro-controladores son: A) Ensamblador. La programacin en lenguaje ensamblador permite desarrollar programas muyeficientes,yaqueotorgaalprogramadoreldominioabsolutodelsistema.Los fabricantessuelenproporcionarelprogramaensambladordeformagratuitayencualquier casosiempresepuedeencontrarunaversingratuitaparalosmicrocontroladoresms populares. B) Compilador. La programacin en un lenguaje de alto nivel (como el C el Basic) permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, el cdigo resultante puede serineficientesinoserealizaconcuidadoconrespectoalprogramadoenensamblador.Las versionesmspotentessuelensermuycaras,aunqueparalosmicrocontroladoresms populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos. C) Depuracin: Debido a que los microcontroladores van a controlar dispositivos fsicos, los desarrolladorescuentanconherramientasdedepuracinquelespermitancomprobarel buen funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos. D) Simulador:Permiten tener un control absoluto sobre la ejecucin de un programa para el microcontrolador en una PC, pero el gran inconveniente en la mayora de ellos es la dificultad de simular la entrada y salida de datos del microcontrolador, as como los posibles ruidos en las entradas, pero permiten llegar al paso fsico de la implementacin de un modo ms rpido y seguro. D)Tarjetasdeevaluacin.Setratadepequeossistemasconunmicrocontroladorya montadoyquesuelenconectarseaunPCdesdeelquesecarganlosprogramasquese ejecutanenelmicrocontrolador.LastarjetassuelenincluirvisualizadoresLCD,teclados, LEDs, fcil acceso a los pines de E/S, etc., operando con un Programa Monitor que funge Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 29comounsistemaoperativo,elcual,apartedepermitircargarprogramasydatosenla memoria del microcontrolador, puede permitir en cualquier momento realizar ejecucin paso apaso,monitorizarelestadodelmicrocontroladoromodificarlosvaloresalmacenadosen los registros o en la memoria. E) Emuladores en circuito. Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrin y elzcalodelatarjetadecircuitoimpresodondesealojarelmicrocontroladordefinitivo.El programa es ejecutado desde el PC, pero para la tarjeta de aplicacin es como si lo hiciese elmismomicrocontroladorqueluegoirenelzcalo.Presentaenpantallatodala informacin tal y como luego suceder cuando se coloque la cpsula. ParaeldesarrollodelaaplicacinconquefueprogramadoelmicrocontroladordelSIADS, fueron utilizados tres programas de software, losque se enumeran a continuacin: A)AVRStudioV.4:Esunsoftwareconambienteintegradodedesarrollo(IDE) proporcionado por el fabricante ATMEL, (ver figura 3.1.1), detipoensamblador para la familia demicrocontroladoresAVRRISCde8bits,porloquetrabajadirectamenteconelset completo de instrucciones del ATMEGA16 3.1.1Pantalla de trabajo del software AVR Studio. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 30a)VM LAB 3.12/ WIN AVR: este software se caracteriza por la facilidad de programar coninstruccionesdelenguajeC,usandolaslibrerasparalafamiliaAVRdel software Win AVR. 3.1.2Pantalla de trabajo del software AVR VMLab. Conelusodeambosprogramas,sedeterminqueelAVRStudiogenerabagrandes cantidadesdecdigo,queaunquefuncional,hacamsdifcilsurevisinyposterior modificacin.Porotrolado,elsoftwaredeVMLab,alserbsicamentemanejadocon programacin de lenguaje C, permita recurrir a estructuras ms familiares de bucles, ciclos y contadores, lo que facilita enormemente la revisin y modificacin del cdigo, aunado a que se cuenta con muchas subrutinas modelo para realizar algunas tareas, como es por ejemplo lacomunicacinconunpuertoexternopormediodelestndarRS-232,ademsdeotras ventajas,comoelhechodepodersimularelcomportamientodelospuertos,elSPIyla UART por medio de algunas herramientas con que cuenta el programa (ver figura 3.1.2), por lo quesedeterminqueelusodeVMLaberamsadecuadoparalospropsitosdeeste proyecto. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 313.2Conversin Analgico Digital. La informacin obtenida de los sensores, como ya se mencion en el captulo II, consiste en una seal de tipo analgico de rango 4-20 mA, o su equivalente en voltaje de 0.5 a 2.5 Volts, debidoalvalorderesistenciadeprecisinqueseconectaenparaleloalaentradadela seal, que es de 125(o el valor comercial ms cercano haciendo los ajustes pertinentes). sta seal analgica, que representa la magnitud fsica encontrada en el punto de inters a registrar, debe ser convertida a un dato digital por medio de un convertidor Analgico Digital de manera que sea posible almacenarla, transferirla o graficarla por medio de programas de uso comn como Excel o algn otro software.Paralograrloanterior,elmicrocontroladorpropuesto,elATMEGA16,cuentaconun convertidorAnalgico/Digitaldeaproximacionessucesivas(verfigura3.2.1),con10bitsde resolucin, con un tiempo de conversin de 13 a 260 microsegundos, el cual puede manejar hasta8sealesdeentrada,seleccionandocualquieradeellaspormediodeunmultiplexor interno, convirtiendo la seal de entrada analgica en turno a un dato digital de 10 bits, el Figura 3.2.1Convertidor Analgico/Digital del ATmega16 Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 32cual se almacena temporalmente en dos registros de 1 byte cada uno, denominados ADCH y ADCL,loscualescontienenlapartealta(los2bitsmssignificativos)ybaja(los8bits restantes)respectivamentedeldatodigital.Posteriormenteeldatodigitalseralmacenado en un registro de tipo entero el cual al constar de 16 bits, podr contener los 10 bits del dato muestreado.staoperacinserrepetidaconsecutivamentetantasvecescomocanales activos se encuentren en las entradas del Convertidor Analgico Digital, esperando a realizar esteconjuntodeoperacioneshastaquesehayaconsumidountiempodeadquisicin determinadoporlasnecesidadesdelaoperacinqueseestrealizando,esdecir,sise determinaquesegrabarnlasmagnitudesdeloscanalesdeentradacada10segundos, porquelascapacidadesdelamemoriaexternadealmacenamiento,labateraydems factoresaslorequieren,serealizarunescaneoenloscanales,sernalmacenadoslos datosysemantendrensistemaenmododeesperahastaqueserequieraunnuevo escaneo.A continuacin se muestra el diagrama del proceso de conversin analgico-digital, en este puntoesposiblecomenzaravislumbrardequemanerapuedecomenzaraplantearseun diagramadeflujoparaelprocesodeconversin,elcualsertraducido,ascomolas subsecuentes etapas de laoperacin del sistema en el cdigo fuente queser programado en el microcontrolador de manera que realice en forma adecuada sus funciones. Figura 3.2.2Diagrama a bloques del proceso de conversin A/D Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 33 3.3Almacenamiento de datos. Losdatosdigitalesobtenidospormediodelconvertidor,sernalmacenadosdespusde cada operacin en las variables $AAAA (ADCH parte alta) y$AAAA+1 (ADCL parte baja) en una pila que contendr los datos de los 8 canales (16 bytes) despus de que han sido ledos enformaconsecutiva,incrementndoseelvalordeladireccin$AAAAencadaoperacin pormediodeuncontador.DichapilasealojarenlamemoriaSRAMinternadel microcontrolador,esdecir,enlasprimeras1120localidadesdememoria(verelmapade memoriadelmicrocontroladorATmega16fig.3.3.1),demodoqueseaposibleenviarlasen bloqueaunamemoriaexternadealmacenamiento.Acontinuacinsepresentaunabreve descripcindelostiposdememoriaquepudieranserutilizadasparallevaracaboel almacenamiento externo. Figura 3.3.1 Mapa de memoria SRAM del ATmega16 3.3.1Memorias de almacenamiento de datos Para la presente aplicacin se requiere del uso de una memoria externa para llevar a cabo el almacenamientodelainformacingeneradaporelSIADS,especficamentedelconvertidor analgico/digital,yparaellosetieneasaber,dosgrandesgruposotiposdememoria disponibles para llevar a cabo el almacenamiento: memorias RAM (Random Acces Memory) y memorias tipo ROM (Read Only Memory). Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 34Existe otro tipo de memorias, las llamadas Cach, las cuales son de alta velocidad (pueden lograrunaccesode45nanosegundosenunatarjetatpicade100MHz),ytienenamplia aplicacin en los CPU de las computadoras,sin embargo, su aplicacin est ms orientada a gestionar instrucciones entre una memoria principal y un CPU. Porotrolado,lasmemoriastipoRAM,utilizadasparaalmacenardatoseinstruccionesque necesitaelmicroprocesador,tienenladesventajadeservoltilesyaquesuinformacinse pierde cuando se interrumpe el paso de energa elctrica al computador, lo cual impide lograr el objeto bsico del SIADS, que consiste en preservar los datos obtenidosan despus del trmino de la prueba y consiguiente deshabilitacin de la energa del sistema, por lo que se concluye que el tipo de memoria a usar debe ser del tipo ROM.Actualmente se dispone de varios tipos de memorias ROM, a continuacin se explicar cada una de ellas con sus caractersticas bsicas. Se caracterizan por ser memorias de lectura y contienenceldasdememorianovoltiles,esdecirquelainformacinalmacenadase conservasinnecesidaddeenerga.Estetipodememoriaseempleaparaalmacenar informacin de forma permanente o informacin que no cambie con mucha frecuencia Memoria ROM de Mscara EstamemoriaseconocesimplementecomoROMysecaracterizaporquelainformacin contenidaensuinteriorsealmacenadurantesuconstruccinynosepuedealterar.Son memoriasidealesparaalmacenarmicroprogramas,sistemasoperativos,tablasde conversin y caracteres. GeneralmenteestasmemoriasutilizantransistoresMOSpararepresentarlosdosestados lgicos (1 0). La programacin se desarrolla mediante el diseo de un negativo fotogrfico llamado mscara donde se especifican las conexiones internas de la memoria.Memoria PROM (Programmable Read Only Memory) EstetipodememoriaadiferenciadelaROMnoseprogramaduranteelprocesode fabricacin, en vez de ello la programacin la efecta el usuario y se puede realizar una sola vez, despus de la cual no se puede borrar o volver a almacenar otra informacin. El proceso de programacin es destructivo, es decir, que una vez grabada, es como si fuese unaROMnormal.Paraalmacenarlainformacinseempleandostcnicas:pordestruccin Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 35de fusible o por destruccin de unin. Comnmente la informacin se programa o quema en lasdiferentesceldasdememoriaaplicandoladireccinenelbusdedirecciones,losdatos enlosbuffersdeentradadedatosyunpulsode10a30V,enunaterminaldedicadapara fundir los fusibles correspondientes. Cuando se aplica este pulso a un fusible de la celda, se almacenaun0lgico,delocontrariosealmacenaun1lgico(estadopordefecto), quedando de esta forma la informacin almacenada de forma permanente.El proceso de programacin de una PROM generalmente se realiza con un equipo especial llamadoquemador.Esteequipoempleaunmecanismodeinterruptoreselectrnicos controlados por software que permiten cargar las direcciones, los datos y genera los pulsos para fundir los fusibles del arreglo interno de la memoria.Memoria EPROM (Erasable Read Only Memory) EstetipodememoriaessimilaralaPROMconladiferenciaquelainformacinsepuede borraryvolveragrabarvariasveces.Laprogramacinseefectaaplicandoenunpin especialdelamemoriaunatensinentre 10y25Voltiosduranteaproximadamente50ms, segneldispositivo,almismotiemposedireccionalaposicindememoriayseponela informacin a las entradas de datos. Este proceso puede tardar varios minutos dependiendo de la capacidad de memoria. La memoria EPROM, tal como las memorias vistas anteriormente se compone de un arreglo de transistores MOSFET de Canal N de compuerta aislada.Cada transistor tiene una compuerta flotante de SiO2 (sin conexin elctrica) que en estado normalseencuentraapagadoyalmacenaun1lgico.Durantelaprogramacin,alaplicar unatensin(10a25V)laregindelacompuertaquedacargadaelctricamente,haciendo queeltransistorseencienda,almacenandodeestaformaun0lgico.Estedatoqueda almacenado de forma permanente, sin necesidad de mantener la tensin en la compuerta ya que la carga elctrica en la compuerta puede permanecer por un perodo aproximado de 10 aos.Porotraparteelborradodelamemoriaserealizamediantelaexposicindeldispositivoa rayosultravioletaduranteuntiempoaproximadode10a30minutos.Estetiempodepende del tipo de fabricante y para realizar el borrado, el circuito integrado dispone de una ventana decuarzotransparente,lacualpermitealosrayosultravioletallegarhastaelmaterial Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 36fotoconductivopresenteenlascompuertasaisladasydeestaformalograrquelacargase disipeatravsdeestematerialapagandoeltransistor,encuyocasotodaslasceldasde memoriaquedanen1lgico.Generalmenteestaventanadecuarzoseubicasobrela superficie del encapsulado y se cubre con un adhesivo para evitar la entrada de luz ambiente que pueda borrar la informacin, debido a su componente UV. En la figura 3.3.2 se observa la fotografa de una memoria de este tipo. Figura 3.3.2. Apariencia Fisica de una EPROM Memoria EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) LamemoriaEEPROMesprogramableyborrableelctricamenteyseconstruyencon transistores de tecnologa MOS (Metal Oxide Silice) y MNOS (Metal Nitride-Oxide Silicon). LasceldasdememoriaenlasEEPROMsonsimilaresalasceldasEPROMyladiferencia bsica se encuentra en la capa aislante alrededor de cada compuerta flotante, la cual es ms delgada y no es fotosensible. LaprogramacindeestasmemoriasessimilaralaprogramacindelaEPROM,lacualse realiza por aplicacin de una tensin de 21 Voltios a la compuerta aislada MOSFET de cada transistor,dejandodeestaformaunacargaelctrica,queessuficienteparaencenderlos transistoresyalmacenarlainformacin.Porotrolado,elborradodelamemoriaseefecta aplicandotensionesnegativassobrelascompuertasparaliberarlacargaelctrica almacenada en ellas.EstamemoriatienealgunasventajasconrespectoalaMemoriaEPROM,delascualesse pueden enumerar las siguientes: Las palabras almacenadas en memoria se pueden borrar de forma individual. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 37Para borrar la informacin no se requiere luz ultravioleta. Las memorias EEPROM no requieren programador. Para reescribir no se necesita hacer un borrado previo. Sepuedenreescribiraproximadamenteunas1000vecessinqueseobserven problemas para almacenar la informacin. EltiempodealmacenamientodelainformacinessimilaraldelasEPROM,esdecir aproximadamente 10 aos. Memoria FLASH LamemoriaFLASHessimilaralaEEPROM,esdecirquesepuedeprogramaryborrar elctricamente.Sinembargoestarenealgunasdelaspropiedadesdelasmemorias anteriormente vistas, y se caracteriza por tener alta capacidad para almacenar informacin y esdefabricacinsencilla,loquepermitefabricarmodelosdecapacidadequivalentealas EPROM a menor costo que las EEPROM. Las celdas de memoria se encuentran constituidas por un transistor MOS de puerta apilada, elcualseformaconunapuertadecontrolyunapuertaaislada.Lacompuertaaislada almacena carga elctrica cuando se aplica una tensin lo suficientemente alta en la puerta de control.DelamismamaneraquelamemoriaEPROM,cuandohaycargaelctricaenla compuerta aislada, se almacena un 0, de lo contrario se almacena un 1. Las operaciones bsicas de una memoria Flash son la programacin, la lectura y borrado. Comoyasemencion,laprogramacinseefectaconlaaplicacindeunatensin (generalmente de 12V o 12.75 V) a cada una de las compuertas de control, correspondiente a las celdas en las que se desean almacenar 0s. Para almacenar 1s no es necesario aplicar tensin a las compuertas debido a que el estado por defecto de las celdas de memoria es 1. La lectura se efecta aplicando una tensin positiva a la compuerta de control de la celda deEl borrado consiste en la liberacin de las cargas elctricas almacenadas en las compuertas aisladasdelostransistores.Esteprocesoconsisteenlaaplicacindeunatensinlo suficientemente negativa que desplaza las cargas. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 38 Teniendocomoantecedenteloexpuesto,paralaaplicacinpresentesehaconsideradoel usodeunamemoriatipoEEPROM,porsuscaractersticasintrnsecas,comoelhechode ser programable yborrable elctricamente as como su capacidad de soportarvarios miles de ciclos de escritura. Peroademsdelascaractersticaslistadas,lamemoriaaseleccionar,adicionalmente debera ser capaz de establecer comunicacin serial, compatible con la caracterstica SPI del microcontroladorATMEGA16,porloqueseoptporseleccionarunamemoriaserial EEPROM marcaATMEL, lacualsedescribeacontinuacinydelacualseanexahojade datos en el Anexo II 3.3.2SPI Serial EEPROMAT25640A Estamemoriatieneunacapacidadde65536bitso8192bytes,yescompatibleconla comunicacinSPI(SerialPeripheralInterface)conquecuentaelmicrocontrolador seleccionadoATMEGA16.Estedispositivoesutilizadoendiversasaplicacionesdetipo industrial y comercial con operacin a baja potencia y bajo voltaje. LapresentacindelencapsuladoautilizareslaPDIP(PlasticDualInlinePackage),conla distribucin de pines que se muestra en la tabla siguiente: Tabla 3.3.3 Distribucin de pnes de la Memoria AT25640A. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 39La memoria AT25640A opera de la siguiente manera: utiliza un registro de instrucciones de 8 bits que maneja un set de instrucciones, y fue diseado para trabajar directamente con una interfaceSPIsncronadelaserie6805y68HC11,locualincluyeporsupuestoal microcontrolador propuesto.El set de instrucciones es el siguiente: Tabla 3.3.4Set de Instrucciones para la memoria AT25640A Parallevaracaboelprocesodeescritura/lecturasedebeefectuarlaconexindeelctrica delamemoriaconelmicrocontroladormostradaenlafigura3.3.5,dondelamemoriase conectacomoesclavoyelmicrocontroladorcomomaestro,conposibilidaddeaumentarla capacidad de almacenamiento adicionando ms memorias en cascada. Figura3.3.5 Conexin elctrica de la memoria con el ATMEGA16 Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 40 3.3.3 Escritura / Lectura de la memoria Pararealizar sta operacin se requiere seguir una secuencia de envo de instrucciones, las cuales son enviadas en forma de op-codes (enlistados en la tabla 3.3.2) como se describe a continuacin: A)Primero debe seleccionarse la memoria a ser escrita por medio del pin CS, llevndolo al estado bajo. B)Debeenviarse a travs del SPI del Microcontrolador la instruccin WREN, que habilita a la memoria para ser accesadaC)Se enva el op-code de la instruccin WRITE, seguido del byte de la direccin (A15 A0) y del dato (D7D0) a ser programado. D)Lamemoriatieneunaformadeoperacinalternativaqueconsisteenloquese conocecomopaginacin,enelquedespusdecomenzadounciclodeescritura, puedeseguirescribiendohasta32bytes,perosilosdatosenviadorebasanesa cantidad se comenzarn a sobrescribir los datos enviados. Para el ciclo de lectura se llevan a cabo los siguientes pasos: A)Es seleccionado el dispositivo por medio del pin CS llevado a nivel bajo B)Estransmitidoelop-codedelecturapormediodelpinSIdelmaster,seguidodela direccin que ser leda A15A0C)Posteriormenteeldatoreferido(D7D0)pormediodeladireccinenviadaes colocadoenlaTerminalSO,quealsertotalmentetransmitidoproducequeCSsea puesto en alto, aunque existe la posibilidad de realizar incluso la lectura de la memoria completa en un solo ciclo de lectura. Es importante sealar que cada dato entregado por el convertidor A/Dconsta de 10 bits que ocupan 2 bytes, por lo que la capacidad de la memoria se reduce a la mitad, lo cual debe ser tomado en cuenta para calcular el tiempo efectivo de muestreo de datos. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 413.4 Transductores dePresinEstepuntoseubicaenelesquemageneraldeoperacincomoelprincipiodetodoel proceso, en el que los sensores, con las caractersticas especficas para el tipo de operacin debenconectarseenelpuntodeintersdedondeserequiereobtenerinformacin, considerando que previamente han sido calibrados y caracterizados para el rango adecuado para la operacin en cuestin. Lossensoresconsideradosparalaobtencindelainformacinrequeridaoperanconun estndar de comunicacin de 4 a 20 mA, el cual es comn en el medio industrial y comercial, existiendo una oferta significativa en diversas marcas y modelos. ParaefectosprcticosseconsideraronsensoresdelamarcaRosemuontensusdiversas versionesdemedicindepresinytemperatura(serie2088o3051)porconsiderarselos ms adecuados por contar con una amplia oferta de rangos, caractersticas y accesorios que cumplenconlasnormasrequeridasparalaoperacinenambientesexplosivos(NEMA4), as como gran estabilidad en ambientes de alta humedad y temperatura. Figura 3.4.1 Sensor Rosemount (4-20 mA) Estos sensores cuentan con una membrana que se deforma debido a la presin de lnea a la quefueronconectados,demodoqueunsensorconunrangode0a800psi(libraspor pulgadacuadrada)nosentregar4mAparaunapresinde0lbyentregar20mAsi se cuentaconunapresinde800psi,siendoestasproporcionesanlogasparasensorescon rangosmayoresomenoresascomoparasensoresquemidenotrotipodemagnitudes fsicas(temperaturaoflujoporejemplo).Comosemuestraenlafigurasiguiente(verfig. 3.4.2.),el sensor es conectado en el punto de inters directamente en el rbol de vlvulas, en este caso para una prueba de inyeccin. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 42 Figura 3.4.2 Conexin de sensores

Lossensoressonconectadosalalneadeinterspormediodeunaconexinmachode cuerdatipo NPT de in fabricada regularmente en acero inoxidable, la cualdebe tener su equivalenteenlalnea.Despusdequedarfijadoelsensor,seconectaaldispositivo adquisitordedatospormediodeuncableblindadoparamicrfono,bifilar(2x20awg),con doble forro. Figura 3.4.3 Cable bifilar de comunicacin. 3.4.1Calibracin de los sensores: Los sensoresdeben ser calibradosantesdeusarlosenelregistroyparaelloseutilizauna balanza de pesos muertos, la cual proporciona una referencia de presin lo suficientemente exacta para los fines de medicin buscados.(ver figura 3.4.4) Figura 3.4.4. Balanza de pesos muertos Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 43La balanza de pesos muertos cuenta con una serie de discos de metal de peso conocido con valoresdesde0.5hasta100Lb,cuyascombinacionespuedenproporcionarcualquier magnitud de presin desde 0 a 500Lb. A)Elsensoresconectadoalabalanzadepesosmuertosconlosaccesoriosadecuados, posteriormente se selecciona el peso de referencia y se coloca sobre la balanza, se activa elcilindrodelabalanzademodoqueseigualanlaspresionesentrelaconexinquevaal sensorylospesosquesehancolocadoenlabalanza,demaneraquelapresinejercida sobre la membrana del sensor es equivalente al libraje colocado en el plato de la balanza. B)Sealimentaelctricamenteelsensoryseregistranlosvoltajesquemarcaparalas presiones que se le aplican, partiendo de 0 psihasta la presin deseada, en incrementos de 50 o 100Lb, de modo que obtenemos una serie de puntos que son graficados para obtener unarecta,delaquesepuedeobtenerunaecuacinquecaracterizaelcomportamientode dicho sensor, la cual ser usada como referencia para suuso. Losvaloresaobtenerdebenencontrarseentre1.0y5.0voltsaunquepuedenobtenerse valores fuera de este rango debido a diversos factores como: deterioro de la membrana del sensor,laexactituddelaresistencia,conexionesdelequipoentreotros.Acontinuacinse muestra una tabla de calibracin de un sensor de 0-800 psi Modelo 3051 Marca Rosemount. SENSOR No.741 PresinVoltaje 00.899 501.115 1001.343 1501.568 2001.791 2502.017 3002.242 3502.464 4002.685 4502.904 5003.125 5503.333 5683.466 Figura 3.4.5 Tabla de Calibracin para Sensor Rosemount (4-20 mA) Delagrficaseobservaquelaecuacindelacurvadeoperacindelsensores: Y=0.0045X+0.8962dondelapendientem=0.0045yelpuntodeinterseccinconelejeY es 0.8962 . Sensor No. 741y = 0.0045x + 0.896200.511.522.533.540 100 200 300 400 500 600Pr esinVoltajeEscuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficieSIADS 44Comoseobservaenlosdatosobtenidos,elniveldevoltajeobtenidodelossensoreses proporcional a la presin aplicada, por lo tanto, dado que contamos con las constantes de la curvadeoperacin,alrecibirunniveldevoltajepodemosdeterminarlamagnituddela presinqueloestproduciendoubicndonosenelpuntoadecuadodelacurvade operacin. Despejando la variable de presin de la ecuacin,es decir x para este caso en particular: 22 . 22 ) 8962 . 0 ( ) 045 . 0 ( ) 8962 . 0 (:) () (: var11 = = ==+ =y y xgrfica la en obtenidos valores los do Sustituyenm b ymb yxecuacin la de presin de iable la despejamosb mx Yrecta la de general ecuacin la De Estaecuacinresultanteserintroducidaenelcuerpodelprogramademaneraqueal detectar los niveles de voltaje de entrada conoceremos los valores de presin en el punto de medicin. Vale la pena recalcar que este procedimiento es vlido para obtener el registro de cualquier parmetro fsico para el cual contemos con la interfase adecuada, siendo los ms comunes el flujo, temperatura, inclinacin, aceleracin etc. Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 45Captulo 4: Implementacin del sistema de adquisicin. Enstecaptulosedescribirlamaneraenlaquefueronconstruidosy ensamblados fsicamente los diversos componentes y dispositivos que conforman elSIADS,describiendolasetapasyconsideracionesquesepresentaronenel proceso de implementacin. 4.1 Construccin Conlasdirectricesdelaetapadediseo,esposibleproponerundiagrama elctrico en cual se incluyen todos los componentes integrantes del SIADS, como semuestraenlafigura4.1.1.(paramayoresdetallesveranexoI,dondese muestraeldiagramadeconexionesdelSIADS)elcualfuerealizadoconel softwareEAGLE V.4.15y que se integra de tres reas principales: a)Microcontrolador b)Memoria c) Alimentacin Fig 4.1.1.Diagrama elctrico del SIADS Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 46a)Microcontrolador:Comopuedeobservarseeneldiagramaelctrico,el microcontroladorseleccionado,unATMEGA16delamarcaAtmel,tieneun empaquetamientodetipoPDIPdecuarentapines,asociadoaunaseriede resistencias que como ya fue explicado en el captulo IIIproporcionan los niveles de voltaje que son ledos por el convertidor analgico. Asimismo, se observa una serie de elementos conectados a las terminales AREF, AVCC,AGND, PB3, RESET y Puerto C, los cuales se describen a continuacin: AREF(pin32):Enstaterminalseintroducelareferenciaanalgicaparael convertidorA/D,ydebetenerelrangode2VaAVcc.Teniendounaresistencia limitadorade220k,calculadaparaproporcionarunacorrientede22.7Aal diodo referenciador de voltaje LM185 (ver Anexo II), el cual proporciona un voltaje de2.5volts.Estevoltajeeselvalormximoquepuedetenerundatoenel Convertidor A/D de entrada proveniente de los sensores. AVCC(pin 30):Aqu se introduce el voltaje de alimentacin para el puerto A y por lotantoparaelconvertidorA/D,porloquesealimentapormediodeunfiltro pasabajos para minimizar los efectos por ruido en la conversin A/D. AGND(pin 31) : este pin es conectado directamente a tierra y funciona como tierra analgica. RESET(pin 9):A este pin se conecta un arreglo RC de modo que no se active el RESETenfalso,determinandountiempoderecuperacinpormediodel capacitor. PB3(pin 4):En este pin se encuentra conecta un LED que sirve como indicador de operacindelsistemacuandoseencuentrarealizandoalgunaactividadde conversin, lectura, borrado etc. siendoeste activado por medio de software. Puerto C(pin 22 a 29):Se encuentra conectado un header de 8 pines como puerto adicional para alguna aplicacin o necesidad futura. b)Memoria:LamemoriaexternaEEPROMclaseAT25HP512seencuentra fsicamenteconectadaalPuertoBquetienecomofuncinalternativaelSPI (SerialPerifheralInterface)delmicrocontrolador,dadoquecomosehaindicado anteriormente,laescritura/lecturadelosdatoshacia/desdelamemoria, generadosporelmicrocontroladorsernmanejadosporelSPI, pormediodelos pinesPB7(sck)queenvalasealdereloj,PB6(MISO)entradadel microcontroladorysalidadelamemoria,PB5(MOSI)queeslasalidadel microcontroladoryentradadelamemoria,yPBOusadocomounpin convencional de salida para habilitar o deshabilitar la memoria. c) Alimentacin: En esta parte se aprecia la ubicacin de un regulador de voltaje 7805, el cual reducir la entrada de voltaje hasta un nivel de 5 volts.Asociado al mismo se cuenta con capacitores en paralelo cuyo objetivo es disminuir los niveles de ruido del voltaje de entrada Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica UPC / Instituto Mexicano del Petrleo Sistema de adquisicin de datos en superficie SIADS 474.1.1Desarrollo de Tarjetas Basados en el diagrama esquemtico, se procede a realizar el armado del circuito en protoboard de manera que pueda ser evaluado el sistema (ver la figura4.1.2) en una primera etapa de prueba. Figura 4.1.2 Conexiones del SIADS en Proto-Board Elcircuitoquesemuestra,fuesometidoaunperiododetrabajoenelcualse mantuvooperandopor3dasconsecutivos,adquiriendodatosenlos8canales cada 30 segundos,obteniendo resultados satisfactorios, por lo que se procede a la elaboracin de la tarjeta de circuito impreso.Cabe mencionar que sta primera pruebanofuerigurosa,yaqueunaevaluacinmsexhaustivafueaplicadaala tarjeta impresa, dado que en sta ltima operar finalmente el sistema.Enlafigura4.1.2.semuestraunatarjetaadicionalconunconectorparalelo,el cual fue utilizado para realizar la programacin del microcontrolador por medio del softwarePony-ProgVersion2.05aBeta,paraefectosdepruebadelsoftware, aunquenopertenecealSIADSseutilizaporsuscaractersticasyaquepermite grabar y verificar el contenido del microcontrolador y de la memoria.Paralaelaboracindelatarjetaseprocediarealizareldiseodepistaspor mediodelpanelBOARDdelsoftwareEAGLEV.4.15,resultandoelsiguiente arreglo de componentes: Escuela Superior d