Configuración y Topologías de Redes

Redes de Comunicación
Configuración en línea
Se refiere a la forma en que dos o más dispositivos que se
comunican se conectan a un enlace, entendiendo enlace
como el medio de comunicación físico que transfiere los
datos de un dispositivo a otro. Hay dos configuraciones
posibles:

- Punto a punto
- Multipunto

Punto a punto
Una configuración punto a punto proporciona un enlace
dedicado entre dos dispositivos. Toda la capacidad del canal
se reserva para la transmisión.

Multipunto
Una configuración multipunto o multiconexión es una configuración en
que varios dispositivos comparten el mismo enlace. La capacidad del
canal es compartida en el espacio o en el tiempo. Si varios dispositivos
pueden usar el enlace de forma simultánea, se dice que hay una
configuración de línea compartida espacialmente, si el uso de la línea
es por turnos, se dice que se trata de una configuración de tiempo
compartido.

Topologías de Red
Se refiere a la forma en que está diseñada la red, bien físicamente o
bien lógicamente. Dos o más dispositivos se conectan a un enlace, dos
o más enlaces forman una topología. La topología de la red es una
representación geométrica de la relación entre todos los enlaces y los
dispositivos que los enlazan entre si (nodos). Existen cinco topologías
básicas:

- Malla
- Estrella
- Árbol
- Bus
- Anillo

Topologías en Malla
Todos los dispositivos se conectan entre si.

Topologías en Estrella
Los dispositivos se interconectan a través de un nodo
central o concentrador.

Topologías en Árbol
Mezcla de varias estrellas.

Topologías en Bus
Todos los dispositivos se conectan a la línea de transporte.

Topologías en Anillo
La línea de transmisión pasa de un dispositivo a otro y
vuelve al principio.

Modos de transmisión
El término modo de transmisión se usa para definir la
dirección del flujo de señales entre dos dispositivos
enlazados.
Hay tres tipos de modos:

- Simplex
- Semidúplex
- Full duplex

Simplex
La comunicación es unidireccional.

Semidúplex
La comunicación es bidireccional pero no en el mismo
instante, sino primero en una dirección luego en otra.

Full duplex
La transmisión es bidireccional y simultánea.

El modelo OSI o de Capas
(OSI Open System Interconection) es un modelo que cubre
todos los aspectos de las redes de comunicación, siendo un
sistema abierto un modelo que permite que dos sistemas
diferentes se puedan comunicar entre si
independientemente de la arquitectura subyacente. El
objetivo de este modelo es permitir la comunicación entre
sistemas sin que sea necesario cambiar la lógica del
hardware o el sofware. El modelo OSI no es un protocolo
sino un modelo para comprender y diseñar una
arquitectura de red flexible, robusta e independiente.

El modelo es una arquitectura por niveles, compuesto de
siete niveles separados pero relacionados, cada uno define
un segmento del proceso necesario para mover la
información a través de una red de datos.

En el modelo OSI, se dan procesos paritarios, es decir el
nivel x de un dispositivo se comunica con el nivel x del otro,
para ello en el paso de nivel a nivel en el emisor, se añade
informacion que será decodificada en el nivel
correspondiente del receptor. Ademas existe una interfaz
entre niveles que permite una modularidad del modelo.

Los niveles 1, 2 y 3 son los niveles de soporte de red, tienen
que ver con los aspectos físicos de la transmisión (como
especificaciones eléctricas, conexiones físicas, direcciones
físicas y temporalidad de transporte y fiabilidad). Los
niveles 5, 6 y 7 proporcionan servicios de soporte de
usuario, permiten la interoperatividad entre sistemas
software no relacionados. El nivel 4 asegura la transmisión
fiable de datos en un único enlace. Los niveles superiores
de OSI se implementan casi siempre en sotfware, los
niveles inferiores son una combinación de hardware y
software, excepto el nivel 1 que siempre es hardware.

Capa 1 – Nivel Físico
Coordina las funciones necesarias para transmitir el flujo de
datos a través de un medio físico, trata con las
especificaciones eléctricas y mecánicas de la interfaz y del
medio de transmisión. El nivel físico se relaciona con lo
siguiente:
-Representación de los bits
-Tasa de datos
-Sincronización de los bits
-Configuración de la línea
-Topología física
-Modo de transmisión

Capa 1 – Nivel Físico

Capa 2 - Nivel de enlace de datos
Transforma el nivel físico, el medio de transmisión, en un
enlace fiable y es responsable de la entrega nodo a nodo, y
hace que el nivel físico aparezca ante el nivel superior (nivel
de red) como un medio libre de errores. Las
responsabilidades específicas de este nivel son:
-Tramado
-Direccionamiento físico
-Control del flujo
-Control de errores
-Control de acceso

Capa 2 - Nivel de enlace de datos

Capa 3 - Nivel de red

El nivel de red es responsable de la entrega de un paquete
desde el origen al destino y, posiblemente, a través de
múltiples redes. El nivel anterior supervisa la entrega del
paquete de datos, el nivel de red asegura que cada paquete
va del origen al destino, sean estos cuales sean. Las
responsabilidades de esta capa son:
-Direccionamiento lógico
-Encaminamiento

Capa 3 - Nivel de red

Capa 4 - Nivel de transporte
El nivel de transporte es responsable de la entrega origen a
destino (extremo a extremo) de todo el mensaje. Mientras que el
nivel de red supervisa la entrega de paquetes individuales, no
reconoce ninguna relación entre ellos, tratando cada uno
independientemente de los demás. El nivel de transporte
asegura que todo el mensaje llega intacto y en orden
supervisando tanto el control de errores como el control de flujo
a nivel origen a destino. Algunas de las responsabilidades de este
nivel son:
-Direccionamiento en punto de servicio
-Segmentación y reensamblado
-Control de conexión
-Control de flujo
-Control de errores

Capa 4 - Nivel de transporte

Capa 5 - Nivel de sesión

Los servicios provistos por los tres primeros niveles no son
suficientes para algunos procesos, el nivel de sesión es el
controlador de diálogo de la red, establece, mantiene y
sincroniza la interacción entre sistemas de comunicación.
Entre sus responsabilidades están:
-Control de diálogo
-Sincronización

Capa 5 - Nivel de sesión

Capa 6 - Nivel de presentación

El nivel de presentación está relacionado con la sintaxis y la
semántica de la información intercambiada entre dos
sistemas. Las responsabilidades de este nivel son:
-Traducción
-Cifrado
-Compresión

Capa 6 - Nivel de presentación

Capa 7 - Nivel de aplicación

El nivel de aplicación permite al usuario, tanto humano
como software, acceder a la red. Proporciona las interfaces
de usuario y el soporte para servicios de información
distribuida (transferencia de archivos, gestión de datos
compartidos, etc.). Algunos de los servicios provistos por
este nivel incluyen:
-Terminal virtual de red
-Transferencia, acceso y gestión de archivos
-Servicios de correo
-Servicios de directorios

Capa 7 - Nivel de aplicación

Protocolo de Comunicación RS-232
RS-
Definición

Un protocolo de comunicaciones es el conjunto de reglas
normalizadas para la representación, señalización,
autenticación y detección de errores necesario para enviar
información a través de un canal de comunicación. Un
ejemplo de un protocolo de comunicaciones simple
adaptado a la comunicación por voz es el caso de
un locutor de radio hablando a sus radioyentes.

RS-
Definición

Los protocolos de comunicación para la comunicación
digital por redes de computadoras tienen características
destinadas a asegurar un intercambio de datos fiable a
través de un canal de comunicación imperfecto. Los
protocolos de comunicación siguen ciertas reglas:
- Sintaxis: se especifica como son y como se construyen.
- Semántica: que significa cada comando o respuesta del protocolo
respecto a sus parámetros/datos.
- Procedimientos de uso de esos mensajes: es lo que hay que
programar realmente (los errores, como tratarlos).

RS-
Comunicación RS-232
RS-
El estándar RS-232 fue propuesto por primera vez en 1962,
aunque ha sufrido diversas revisiones. Actualmente, el
nombre oficial es EIA/TIA-232-E, haciendo referencia al
organismo que los define (EIS, Electronics Industry
Association y TIA Telecomunication Industry Association), el
término RS hace referencia a su descripción inicial
(Recommended Standard). Ofrece un estándar de
intercomunicación entre los equipos encargados de generar
y controlar los datos a transmitir (una computadora o un
autómata programable) y dispositivos periféricos
encargados de recibir esos datos (módem, impresora, entre
otros).

RS-
Comunicación RS-232
RS-

Las especificación RS-232 describe tres ámbitos de la
comunicación: Los niveles de tensión de las señales
(características eléctricas), el patillaje de las señales
(características mecánicas) y la información de control que
debe existir entre los equipos (características funcionales).

RS-
Características Eléctricas

Estas características definen los niveles de tensión,
los tiempos de bajada y subida de niveles, e
impedancia de la línea. El nivel lógico alto está
definido entre +5 y +15 Voltios representando el
“0” lógico, y el nivel bajo entre -5 y -15 Voltios
representa el “1” lógico, pero un receptor puede
aceptar un nivel alto a partir de +3, y un nivel bajo
a partir de -3.

RS-
Niveles Lógicos y Conexiones DB9

RS-
Niveles Lógicos y Conexiones DB9
Estos niveles no son compatibles con la lógica TTL o CMOS
actual. Existen circuitos integrados tales como el DS232A ó
MAX232A que a partir de una sola tensión de alimentación
(+5V la habitual disponible) y mediante bombas de tensión
internas, son capaces de convertir los niveles lógicos
habituales a niveles RS-232, y viceversa.
(UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

Permiten el enlace con computadores , y en general,
cualquier dispositivo al que se le quiera incorporar la
transmisión serie.

RS-
Características Funcionales

En las aplicaciones habituales para transmisiones
asíncronas con envío y recepción, suele ser
suficiente con 4 señales, una línea de envío, otra
de recepción, y dos para control de la transmisión,
a veces, incluso no son necesarias las líneas de
control y sólo se emplean las de datos.

RS-
Características Funcionales

RS-
Características Mecánicas

Inicialmente, dado el gran número de líneas
definidas, la conexión se realizaba mediante un
conector de 25 patillas (generalmente del tipo
DB25), pero en la gran mayoría de aplicaciones se
emplea una conexión de 9 líneas mediante un
conector del tipo DB9.

RS-
Tramas

T0:La transición del nivel marca un espacio indica al receptor
que la transmisión de un nuevo carácter ha comenzado.

T1: El receptor espera la mitad del tiempo de bit (a 1200
baudios este tiempo es 416us) y toma otra muestra de la
línea. Si la línea sigue en el nivel espacio, el bit de inicio es
valido. En otro caso, si la línea de recepción regresa al nivel
de marca, se trata de un bit de inicio falso que se atribuye a
una línea ruidosa.

RS-
Tramas
T2: El receptor espera un tiempo de bit y muestrea la línea
de entrada, el nivel será el correspondiente al bit menos
significativo.

T3-T9: Se realizan 7 muestreos más, cada 833us (para 1200
baudios), y se obtienen los niveles correspondientes a los
bits de datos restantes. Después de T9 los 8 bits de datos
han sido capturados.

T10: Se muestrea el bit de paro, observe que la línea regresa
al nivel de marca.

RS-
Tramas

RS-
Velocidad de Transmisión
La velocidad está estandarizada según la norma RS-232C en
baudios:
75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200.

Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, se
estima la longitud del cable.

Velocidad versus metros
19200 -> 17, 9600 -> 167, 4800 -> 333, 2400 -> 1000

Se puede transmitir los datos en grupos de 5, 6, 7 u 8 bits.

Procesamiento en tiempo real
Sistemas en tiempo real
Un sistema en tiempo real es un sistema informático que
Interaccionar repetidamente con su entorno físico,
respondiendo a los estímulos que recibe del mismo dentro
de un plazo de tiempo determinado, invariante y constante.
Para que el funcionamiento del sistema sea correcto no
basta con que las acciones sean correctas, sino que tienen
que ejecutarse dentro del intervalo de
tiempo especificado.
Un sistema de tiempo real debe de ser capaz de procesar
una muestra de señal antes de que ingrese al sistema la
siguiente muestra.

Sistemas embebidos
Los sistemas de tiempo real suelen ser componentes de
otros sistemas mayores, en los que realizan funciones de
control, toman datos de las otras partes del sistema mayor,
ejecutan el algoritmo de control y envían las señales de
control a los elementos pertinentes del sistema mayor, en
este caso, se dice que se trata de sistemas empotrados
(embebidos).

Los sistemas empotrados tienen funciones especificas y
definidas, recursos limitados de memoria y potencia, por
lo general la aplicación se ejecuta desde ROM.

Sistemas embebidos
Un sistema embebido es un sistema informático de uso
específico construido dentro de un dispositivo mayor. En una
computadora por ejemplo se tiene la placa madre que es un
conjunto de circuitos integrados que pueden agrupar la
mayoría de componentes además de otras tarjetas
periféricas (video, modem, audio, etc.).

Clasificación de los Sistemas RT
Tiempo Real Duro (Hard Real Time): Es absolutamente
imperativo que la respuesta del sistema a eventos externos
ocurra dentro del tiempo especificado. Por ejemplo, control
de un reactor.

Tiempo Real Suave (Soft Real Time): Se permite que se
pierdanocasionalmente algunas especificaciones
temporales, aunque elsistema debe cumplirlas
normalmente. Por ejemplo, reproducción de
un CD.

Clasificación de los Sistemas RT
Tiempo Real Real (Real Real Time): Es un tiempo real duro y
además los tiempos de respuesta deben ser muy cortos.

Tiempo Real Firme (Firm Real Time): Es un tiempo real
suave, yademás el sistema no obtiene beneficios de la
pérdida ocasional de especificaciones temporales.

Centralizados (un sistema central de control) y Distribuidos
(múltiples sistemas de control).

Elementos de un Sistema RT
Medición: Es el proceso de adquisición, monitoreo, u
obtención de la información acerca del estado actual del
proceso.

Control: Ejecución del algoritmo de control de acuerdo a los
valores medidos.

Actuación: Envío de señales para alterar el estado actual del
elemento final de control.

Interfaz: Interfaces con de la PC con el operador.

Elementos de un Sistema RT

Otras
Comunicaciones Computadoras

E/S Software de Tiempo-Real
Digital S.OP
tarea
tarea Reloj
tarea
E/S
Analógico Computadora

Medio Otras
Ambiente E/S

Arquitectura de un Sistema RT
Sistema en Tiiempo Real Distribuido.
Arqutecturas homogeneas o heterogeneas.
Redes de area local, y topologias de red.
Otras
Protocolos de comunicaciones:Ethernet,
Token Ring
Comunicaciones Computadoras
Modelo OSI.
Redes FFDI, X-25, ATM.

E/S Software de Tiempo-Real
Digital Microcontroladores y sistemas embebidos.
DSP’s, PLC’s.
Buses de multiprocesadores:VMEBUs,Multibus,FutureBus
Arquitecturas RISC, Transputers.
Reloj
Uniprocesadores, Multiprocesadores.
Memorias chache, DMA’s.
E/S
Analógico Computadora (HW)

Medio Otras
Ambiente E/S

Requisitos de un Sistema RT
Brindar fiabilidad: Se debe evitar los errores o fallas en el
sistema.

Brindar seguridad: Solo personal autorizado debe ser capaz
de entrar y modificar atributos del programa.

Ser concurrentes: Es decir que debe poder ejecutar diversas
acciones en forma paralela.

Ser interactivos: Deben ser capaces de manejar
herramientas para manipular parámetros temporales.

Software para sistemas RT

Ensambladores: Son flexibles y eficientes, pero poco su
interfaz de programación es poco amigable por lo que la
programación es muy propensa a errores.
Por ejemplo: Assembler, lenguaje de máquina, etc.

Lenguajes secuenciales: Son flexibles y de programación
más sencilla, pero para realizar tareas de tiempo real
necesitan soporte adicional del sistema operativo.
Por ejemplo: C++, Pascal, Java, etc.

Software para sistemas RT

Lenguajes concurrentes: Estos lenguajes están orientados a
problemas de la vida real (enfoque orientado a objetos).
Pueden ejecutar múltiples tareas paralelamente o
concurrentemente.
Por ejemplo: Ada, Modula II, Java, etc.

Sistemas Operativos

Un sistema operativo en tiempo real (RTOS -Real Time
Operating System) es un sistema operativo que ha sido
desarrollado para poder utilizar la computadora en
aplicaciones de tiempo real.

La mayoría de los sistemas operativos realizan sus funciones
a través de las tareas:
- Gestión de procesos
- Administración de la memoria
- Organización de la E/S
- Sistema de archivos

Sistemas Operativos

Para realizar sistemas de tiempo real se usan sistemas
operativos especiales que cumplan con los requisitos:
- Concurrencia
- Temporización
- Planificación determinista
- Manejadores de dispositivos

Los RTOS más comunes son: LynxOS, QNX, RT-Linux, entre
otros.

Control en tiempo real

El diseño de un controlador en tiempo real consiste en
implementar las funciones matemáticas correspondientes al
algoritmo de control deseado, usando el software y el
sistema operativo RT adecuado para el proceso que se
desea controlar. Es necesario tener algunos factores en
cuenta…


Factores a tener en cuenta:
- Concurrencia o paralelismo potencial, es decir la ejecución
de múltiples procesos.
- Escoger el software adecuado para la implementación del
algoritmo.
- Sincronización, es la satisfacción de condiciones de
interdependencia en la acción de diferentes procesos.
- Comunicación entre procesos, dispositivos, y computadora.

El sistema de control respeta todos los componentes de un
sistema de control automática, con la diferencia que la
adquisición de datos, la ejecución del algoritmo de control, y
el envío de señales al actuador, son realizados en forma
periódica en base a interrupciones y ejecución simultánea
de tareas.


También es importante conocer el proceso y la forma como
interactúa con su medio externo, puede ser:
- Independiente, no necesita comunicarse ni sincronizarse
con otros procesos.
- Cooperante, se comunica y sincroniza sus actividades con
otros para realizar una tarea en común.
- Competitivo, también necesita comunicación y
sincronización para hacer uso adecuado de los recursos
compartidos del sistema.

Para enviar y recibir datos se necesita de interrupciones.
Las interrupciones son la forma más común de pasar
información desde el mundo exterior al programa. En un
sistema de tiempo real estas interrupciones pueden
informar diferentes eventos como la presencia de nueva
información en un puerto de comunicaciones, de una nueva
muestra de audio en un equipo de sonido o de un nuevo
cuadro de imagen en una videograbadora digital. Para
que el programa cumpla con su cometido de ser tiempo real
es necesario que el sistema atienda la interrupción y procese
la información obtenida antes de que se presente la
siguiente interrupción.

Ejemplo de un sistema en tiempo real
Actividades en una computadora de automóvil.

C=4ms. C=10ms.
Control de Control de T=40ms.
T=20ms.
Velocidad Frenado D=40ms.
D=5ms.

C=40ms.
Control de C=10ms.
T=80ms. Otro software
combustible T=40ms.
D=80ms.
no-critico

C=tiempo de computo (peor caso), T=Periodo de ejecucion, D=Plazo de respuesta

Aplicaciones en tiempo real

•Dominio Industrial
- Controlador de la planta
- Robot para tratamiento de material peligroso

•Uso militar
- Sistema de reconocimiento de blancos automático
- Sistema de guiado de misiles y navegación

•Sistemas altamente críticos
- Plantas nucleares
- Sistemas de aviónica

Tubería
Lectura del
flujo de entrada
Medidor de
Flujo
Procesamiento

Salida de la
válvula
Tiempo
Computadora Válvula

Un Sistema de control
de fluido simple

Operador
de consola
Computadora
de control de producción

Producto
Partes
Terminado
Máquina de Cinta
Herramientas Manipuladores transportadora

Un sistema de control de producción

Interfaz de Operación (HMI)
Antecedente Histórico

Fue hasta finales de los años 70’s cuando se logran dar
mejoras en los autómatas y entre las que destacamos las
siguientes:
- La capacidad de gobernar bucles de control.
- Mayor memoria.
- Conexión mas flexible de sensores – actuadores.
- Mejores lenguajes de programación.
- Comunicaciones más potentes.


Para 1980 se continúa con las mejoras en los autómatas
siendo las más representativas:
- Dimensiones mas reducidas.
- Mayor velocidad de proceso.
- Gran variedad en cuanto a lenguajes de programación
se refiere tales como GRAFCET, listas de instrucciones,
etc.
- Técnicas de control mucho más complejas entre las
que podemos mencionar PID, inteligente, fuzzy.

La PC se contemplaba como la mejor opción a la hora
de integrar una funcionabilidad avanzada; como puede
ser la conectividad de base de datos, en el control
analógico, integración y en la simulación basados en
Web y comunicación de datos con terceros. Aunque el
problema que presentaba este tipo de control basado
en PC, es que aquellas PC’s que corren en sistemas
operativos estándares con un hardware común, resultan
bastante frágiles como para brindar un control industrial
confiable.


Se debe de tomar en cuenta que un sistema de control
industrial se encuentra conformado por dos áreas bien
definidas que son la parte operativa y la parte de control. En
la parte operativa encontramos los dispositivos de hardware
y software que son los que brindarán la información
necesaria para llevar a cabo las operaciones de planta que
sean necesarias por medio de una interfase que sea
amigable y pueda ser comprendida fácilmente por el
operador.


Para la parte de control se cuentan con dispositivos
tales como PLC’s, DCS’s, o PC industriales, entre otros; los
cuales nos servirán para llevar a cabo las acciones de control
en conjunto con los actuadores; entre éstos dispositivos
existe una comunicación vertical, es decir, desde la parte
de control hacia la operativa y viceversa y comunicaciones
horizontales, esto es, una comunicación entre distintos
dispositivos de control.

Marshall McLuhan fue el primero en tener una visión de
este concepto, claro está que no es tal y como lo conocemos
en nuestros días pero gracias a ésta visión se dio pie para
que éste fuera posible. Originando que futuros
investigadores se basarán en su trabajo para dar principio al
concepto HMI.


Algunos investigadores, cometen el error de utilizar el
término HCI (Interacción Humano Computadora) para
referirse al término HMI; pero son términos muy
diferentes ya que en el primer caso como su nombre lo
indica se refiere a la relación existente entre el ser humano y
una PC y el término HMI involucra la palabra máquina en
lugar de computadora haciendo que el concepto sea más
amplio ya que puede abarcar no sólo a computadores u
ordenadores sino también a robots, aparatos de
diagnóstico, de investigación, automóviles, etc.

Según la mención de algunos historiadores, podemos decir
que una Interface Hombre Máquina tiene como objetivo
principal estudiar:

- El hardware y el software, ambos en función de la
interacción.
- Los modelos mentales de los usuarios con relación al
modelo del sistema.
- Las tareas realizables por el sistema y su adaptación a las
necesidades del usuario.
- El impacto en las organizaciones.


La Interfaz Hombre Máquina comprende los sinópticos
de control cuya función es la de representar de forma
simplificada el sistema bajo control y los sistemas de
presentación grafica. En un principio los paneles
sinópticos eran de tipo estático colocados en grandes
paneles plagados de indicadores y luces; con el tiempo
han ido evolucionando junto al software en forma de
representaciones gráficas en pantallas de visualización de
datos (PVD).

HMI (Human Machine Interface)
(Human
La industria HMI nació, particularmente de la necesidad que
existía de estandarizar la forma de controlar y monitorear
distintos sistemas remotos, tales como PLC’s, entre otros
mecanismos de control. HMI es un software utilizado para
controlar, monitorear y determinar el estado de un sistema
de control y automatización, para esto es necesario
tener una interfaz entre el sistema y el usuario. HMI, es
el punto en el que los seres humanos y máquinas logran
ponerse en contacto; transmitiéndose de manera mutua
no sólo información, órdenes y datos sino también
intuiciones, sensaciones y nuevas formas de ver las cosas.

(Human

Hay que hacer mención que las interfaces no son
necesariamente entre el ser humano y una computadora
sino para cualquier elemento mecánico, un ejemplo
sería el tacómetro de un automóvil, el cual nos permite
monitorear lo que sucede en el vehículo para así si existiera
un problema el ser humano se de cuenta a tiempo para
poder darle una solución adecuada al mismo.

(Human

Este software es utilizado de manera gráfica textual y
auditiva ya que nos proporciona estas opciones para poder
tener una fácil identificación del proceso requerido: inclusive
mediante la utilización del teclado de la computadora y
movimientos del Mouse se pueden controlar algunas
variables de un sistema dependiendo del tipo de programa
que se esté empleando para ello; como por ejemplo activar,
desactivar un paro de emergencia o en su defecto activar
una variable en específico cuando el usuario así lo necesite.

¿Qué es y para que sirve?

Las siglas HMI (Human Machine Interfaz), significan
Interfaz Hombre Máquina; y como definición tenemos la
siguiente: “es la interface ó interfaces entre el ser
humano y una máquina ó proceso”. La Interfaz Hombre
Máquina nos sirve para controlar y monitorear un
proceso. Cuando se hace mención del término “controlar”,
se hace referencia a arrancar y detener las máquinas,
entendiendo como máquinas ya sea una computadora,
robots, motores, etc. Y para este caso monitorear es recabar
información del proceso de forma manual.

¿Qué es y para que sirve?

Existen tipos de HMI; los cuales se desarrollan dentro de un
entorno de programación gráfica, llamados “Desarrollos a
Medida”, tales como, Visual Basic, VC++, Delphi, sólo
por mencionar algunos. Y los llamados “Paquetes
Enlatados”; son paquetes de software que contemplan la
mayoría de las funciones estándares de los sistemas SCADAS,
entre los que tenemos FIX, Win CC, Wonderware, entre
otros.

Funciones

Existen una infinidad de funciones o tareas de las cuales
se encarga el software HMI, sin embargo, de entre todas
ellas; se pueden clasificar en cuatro grandes grupos como lo
son el monitoreo, la supervisión, las alarmas y el control:

1) Monitoreo; se obtienen y muestran datos en tiempo real.
2) Supervisión; ésta función nos permite la opción de
reajustar las condiciones de trabajo del proceso
directamente desde la computadora.

Funciones

3) Alarmas; nos permite reconocer eventos que no se
encuentren predeterminados dentro del proceso y
reportarlos; las alarmas son reportadas basadas en
límites de control preestablecidos.
4) Control; ésta función nos va a ayudar para aplicar ciertos
logaritmos con la finalidad de ajustar los valores del proceso
y así mantenerlos en los límites preestablecidos.

Modelos para una HMI

Cuando hablamos de modelos, nos referimos a las distintas
formas de concebir una Interfaz Hombre Máquina; entre los
cuales tenemos tres muy importantes que son la visión del
usuario, la del programador y la del diseñador. Cabe
mencionar que en el momento de realizar algún modelo de
los antes mencionados, se deben de tener en consideración
a los restantes y si es posible realizarlos en conjunto.


Modelo del Usuario: es la visión muy personal del usuario
acerca del sistema, esto es, la forma en que el usuario
espera o quisiera que se comporte. La interfaz en sí debe de
facilitar el proceso de crear un modelo, el cual resulte
efectivo; para ello es recomendable que al crear el
modelo se trabaje utilizando una percepción de
metáforas, esto es, que se relacione el sistema con algo ya
conocido por el usuario. Como ejemplo de una metáfora
de escritorio de Windows y proceso industrial.


Modelo del Usuario

Modelo del Programador: los conocimientos del
programador incluyen tanto la plataforma como las
herramientas de desarrollo, las especificaciones, el sistema
operativo, mas no quiere decir que pueda ofrecerle al
usuario los modelos más adecuados.

Modelo del Diseñador: El diseñador recopila y logra
combinar tanto la información del usuario, esto es, sus ideas,
necesidades y sus deseos; como el material con el que
dispone el programador, para así diseñar un software
adecuado que logre cubrir las exigencias del usuario como
del programador.

¿Qué es una interfaz?
Es lo que facilita la interacción, la comunicación entre
dos sistemas de distinta naturaleza; generalmente entre el
ser humano y una máquina.
“Interfaz de usuario” se define como el conjunto de
componentes utilizados por los seres humanos para
comunicarse con las computadoras y como ejemplos más
comunes se puede mencionar el teclado, el mouse, entre
otros.

Las distintas formas de interacción entre un ser humano y
una máquina más importantes o más usadas se mencionan
son:

De interfaz; es una forma de dar instrucciones
directamente al ordenador, pueden tener la forma de
teclas de función (F1, F2, etc.), de caracteres, abreviaciones
cortas, etc.

De menús y formularios; son un conjunto de opciones las
cuales se logran ver en la pantalla y que además se pueden
seleccionar y la selección de una de ellas nos debe de
dar como resultado normalmente un cambio en la interfaz.
Uno de los problemas con los que se cuenta es que los
menús ocupan mucho espacio en la interfaz y se trata de
resolver con los llamados menús desplegables (pop up).

De Manipulación Directa; éste término se utiliza para
describir sistemas que cuentan con características tales
como una representación continua de los objetos y de
las acciones de interés, un cambio en la sintaxis de los
comandos ocasionada por la manipulación de objetos y
acciones y por último, las acciones rápidas, incrementales
y reversibles que provocan un cambio visible en el objeto
seleccionado.
De Interacción Asistida; colabora con el usuario en el mismo
ambiente de trabajo, dando como resultado que el usuario
en lugar de dirigir la interacción, trabaja en un entorno
cooperativo., esto es, comunicándose, controlando eventos
y realizando tareas.

Agentes de la Interfaz
Un agente de interfaz puede ser considerado por el
usuario como un programa que le proporciona ayuda,
mas no debe de considerarse como una herramienta dentro
de la interface de manipulación directa. Cabe mencionar que
logra observar varias interacciones del usuario antes de
llegar a realizar una acción ó en su defecto con una sola
interacción puede lograr hacer varias acciones y así actuar
en determinados períodos de tiempo, mismos que se le
han programado con anterioridad.
El agente de la interfaz logra leer la entrada que el mismo
usuario hace presente en la interfaz y puede hacer cambios
que el usuario visualiza en la pantalla.

Tipos de Interfaces

Interfaces de Usuario, dentro de estas tenemos las
siguientes:
1.- Interfaz de hardware; se refiere a aquéllos dispositivos
utilizados para ingresar datos, tales como el ratón, el
teclado, la pantalla visualizadora.
2.- Interfaz de software; ésta se encarga de otorgar
información acerca de los datos, procesos y las herramientas
de control y que son visualizados por el usuario en la
pantalla.

Tipos de Interfaces
Interfaces de líneas de mandatos (command-line user
interfaces CUIs); fue la primer forma de interacción
hombre-máquina que existió; utilizando el MS-DOS para
tal efecto; las ventajas que se tiene al utilizar este tipo de
interface es que las instrucciones son concisas y es
controlado por los usuarios, claro esta, éstas ventajas sólo
son válidas para aquéllos que son expertos en el manejo
de éste tipo de sistema.

Tipos de Interfaces
Interfaces de líneas de mandatos (command-line user
interfaces CUIs)
…
Cuanto a desventajas se refiere, el usuario debe de
memorizar los distintos comandos que se utilizan, suele
tener varios comandos con significado parecido como
por ejemplo DEL y ERASE y por si esto fuera poco, no es
flexible con los nombres, como ejemplo tenemos que debe
escribirse DEL y no DELETE para que lleva a cabo la
instrucción; por lo mencionado con anterioridad es muy
común que se produzcan errores.

Tipos de Interfaces
Interfaces de menús; se presenta
al usuario una serie de opciones,
las cuales se muestran en la
pantalla y la selección se realiza por
medio de un código en particular,
esto nos permite navegar dentro de
un sistema, presentándonos rutas
que nos llevan de un sitio a
otro, seleccionar distintos
elementos y poder visualizar
distintos tipos de información de
manera simultánea.

Tipos de Interfaces
Interfaces gráficas (graphical user interfaces GUIs); en
esta interfaz se muestra de manera gráfica, una
representación del sistema, esto es, del ordenador de
los programas, datos, objetos así como la interacción con
ellos. Utilizando este tipo de interfaz, no sólo nos permite
presentamos la información sino también manipular los
objetos e información que aparecen en la pantalla.

En esta interface en particular, se utiliza la forma de trabajar
objeto-acción, esto es, el usuario selecciona el objeto y
posteriormente la acción a realizar sobre el mismo.

Tipos de Interfaces
Interfaces orientadas a objetos (object oriented user
interfaces, OOUIs); el aspecto de esta interface es bastante
similar al que tienen las interfaces gráficas, su diferencia
consiste en que las interfaces gráficas se encuentran
enfocadas hacia la aplicación como tal.

El objetivo principal de esta interface es que el usuario se
enfoque en sus labores, mas no en el ordenador y mucho
menos en cómo utilizar las aplicaciones y ficheros
necesarios para lograr esto.

Tipos de Interfaces

Reglas para el Diseño de una Interfaz

Al diseñar una interface debe de tomarse en cuenta las
habilidades cognitivas y perceptivas de las personas y tratar
de, ó adaptar el programa a ellas. Uno de los principales
objetivos de una interfaz es lograr reducir la dependencia
de las personas de su propia memoria, esto es no
obligándolas a recordar cosas innecesarias como por
ejemplo información aparecida en ventanas anteriores o
a repetir operaciones ya hechas (introducir un mismo
dato varias ocasiones).


También es necesario que se plantee el modelado de
las tareas para las cuales va a ser diseñada la Interface,
independientemente del enfoque general del análisis de
las tareas; la persona encargada de diseñar la interfaz debe
de definir y clasificar las tareas.

Debe de tomarse en cuenta el tiempo de respuesta,
refiriéndonos específicamente al tiempo que necesita el
sistema para expresar los cambios de estado al usuario.


Es necesario que los tiempos sean de una duración
aceptable, ya que si son muy largos, debe de notificarse al
usuario que la “petición” ha sido tomada en cuenta y que se
está trabajando en ella ya que si no se hiciere podría
provocar frustración e incluso estrés en el usuario, por el
contrario si dichos tiempos son demasiado cortos puede
causar en el usuario un estado de desconcierto ya que no
logrará asimilar la información y por ende llevarle al error
todo ello por el exceso de velocidad.


La variabilidad se refiere a la desviación del tiempo
medio de respuesta siendo una característica importante
dentro del tiempo de respuesta ya que si se tiene una
variabilidad pequeña, permite al usuario establecer un cierto
ritmo y si es demasiado largo puede provocar en el usuario
cierta incertidumbre llegándose a preguntar si realizo la
acción correcta.

Se deben de tomar en cuenta ciertas reglas antes de
diseñar una Interfaz; las cuales son:

1.- Dar control al usuario; se debe de dar al usuario la
posibilidad en lugar de suponer qué es lo que éste desea
hacer, la interfaz que se diseñe debe de ser lo
suficientemente flexible para que pueda adaptarse a los
requerimientos de los distintos usuarios que utilizarán el
programa. Para lograr lo mencionado anteriormente, se
debe de cumplir con algunos principios tales como: usar
adecuadamente los modos de trabajo, permitir a los
usuarios usar el teclado y el mouse, permitir que el usuario
pueda interrumpir su tarea en el momento que lo desee y
logre continuarla más tarde, utilizar mensajes y textos
descriptivos,…

… permitir deshacer las acciones e informar de su resultado,
que se logre tener una cómoda navegación dentro del
producto y una sencilla salida del mismo y tener distintos
niveles de uso del producto para usuarios con distintos
niveles de experiencia.

2.- Reducir la carga de memoria del usuario; la Interfaz se
debe diseñar de tal forma que logre evitar que el usuario
tenga que almacenar y recordar información. Se debe de
permitir al usuario copiar, pegar, deshacer así como
mantener los últimos datos introducidos.

… Proporcionar indicaciones visuales de donde está el
usuario, que puede hacer y que esta haciendo, así como
las funciones deshacer, rehacer y todas aquellas acciones
por defecto.

Asociar acciones a los objetos así como presentar al usuario
sólo la información que necesita. Presentar al usuario sólo
aquella información que necesita.

3.- Consistencia; Se logra dar al usuario utilizar el
conocimiento adquirido en otros programas. Proporcionar
al usuario las indicaciones sobre el proceso que está
siguiendo.

Consistencia en los resultados de las interacciones; esto
es obtener una misma respuesta ante la misma acción, ya
que los elementos estándar de la interfaz deben de
comportarse siempre de la misma forma.

Se debe de fomentar la posibilidad de poder explorar la
interfaz sin que se tenga el temor de alguna acción negativa.

4.- Atajos para usuarios frecuentes; se da cuando la interfaz
que se esta utilizando, nos permite tomar atajos dentro de la
misma con el fin de reducir el tiempo de respuesta y
aumentar la productividad.

Pasos para diseñar una Interfaz
- Reunir y analizar la información del usuario; concretar por
medio de distintos tipos de requerimientos, qué tipos de
usuarios van a utilizar el programa, qué tareas y cómo las
van a realizar; por último qué cosa esperan los usuarios del
programa y en qué tipo de entorno se desenvuelven los
mismos ya sea físico, cultural, social, etc.

- Diseñar la interface de usuario; es de suma importancia
dedicarle tiempo y recursos a esta parte en específica, antes
de pasar a la siguiente parte que es la codificación, ya que en
este paso se definen los objetivos del programa, las distintas
tareas del usuario, los objetos y las acciones de la interfaz,
las vistas y las representaciones visuales de los objetos y
ventanas. De hecho todos los objetos visuales se pueden
hacer primero a mano para después depurarlos con las
herramientas adecuadas.

- Construir la interface de usuario; en esta fase se realiza un
prototipo del programa, con la finalidad de poder visualizar y
realizar una prueba acerca de qué forma va a quedar, para
que posteriormente, se logre codificar definitivamente.

- Validar la interface de usuario; en esta fase se deben de
realizar pruebas del producto, lo ideal es que se realicen con
los usuarios que van a utilizar el mismo. Se debe de tener
cuidado en realizar un diseño que comience del usuario y no
del sistema.

- Presentación de información; no es recomendable que se
coloquen demasiados objetos en la pantalla y los existentes
deben de colocarse de una forma bien distribuida; esto con
la finalidad de que los objetos no influyan en el usuario.

- Elementos de diseño de pantalla y percepción visual;
en este paso en particular, se toma en cuenta distintos
factores, el color; sin embargo es el elemento que con más
frecuencia es mal utilizado ya que no deben de utilizarse
colores que después de un determinado período de tiempo
ocasione cansancio al usuario, para evitar esta situación
primero debe diseñarse en blanco y negro para luego
comenzar a elegir los colores adecuados.

-El Análisis de Audio; hay que tomar en cuenta si es más
apropiado utilizarlo que la información visual, efectuado lo
anterior se debe determinar el sonido adecuado y por
último tener la opción de personalizar el sonido esto es,
aumentar o disminuir el volumen así como su
desactivación.

- El Análisis de Animación; lo podemos definir como un
cambio existente en cuanto al tiempo se refiere de la
apariencia visual de cualquier elemento gráfico. Nos puede
ser de gran ayuda para mostrar el estado de un objeto
en particular o explicar su comportamiento.

- El Diseño Internacional; se debe de poner un gran interés y
cuidado en esta parte ya que contamos con las diferencias
culturales como son las distintas terminologías, dibujos,
formatos de teléfonos, de calendarios, etc.

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