Listado de buenas prácticas

Primer accésit al Premio Santander correspondiente al año 2010, concedido por la Cátedra Banco Santander de la Universidad de Zaragoza. Más información en https://catbs.unizar.es/articulos/premiados-2010

Trabajo desarrollado por los profesores: Miguel Samplón Chalmeta y Joaquín Mur Amada, del Departamento de Ingeniería Eléctrica.

Con el objeto de proporcionar una formación práctica en control de instrumentación por ordenador y para permitir a los estudiantes acceder al uso de instrumentos metrológicos reales de alto nivel cuyo precio hace que resulte prohibitivo dotar con ellos un laboratorio completo de prácticas, se han desarrollado dos aplicaciones cliente/servidor que operan a través de una conexión TCP/IP, mediante las cuales los estudiantes pueden trabajar con unos pocos instrumentos reales de forma compartida a través de la red de comunicaciones local del laboratorio.

El empleo del enlace TCP/IP ha permitido ampliar la metodología formativa, tradicionalmente presencial en el caso de trabajo de laboratorio, a una utilización no presencial a través de Internet.

La flexibilidad del programa servidor ha dado pie a otros usos a través del desarrollo de clientes específicos. En particular, se ha empleado para la automatización de procesos de evaluación de destrezas de laboratorio.

Desarrollos futuros podrían permitir a esta herramienta evolucionar hacia una estructura de WebLab.

La asignatura de Electrometría (Código Universidad Zaragoza número 21119 del tercer curso de Ingeniería Técnica Industrial, especialidad Electricidad en la EUITIZ) está orientada a la formación en los aspectos relacionados con las medidas en el ámbito eléctrico. Su matrícula, hasta el curso 2010-11, se cifra en torno a los 70 estudiantes.

Dentro de los diferentes bloques constitutivos de su programa, uno de ellos se enfoca a la automatización de los procesos de medida, es decir, la introducción de un ordenador dentro de un sistema de medida de forma que éstas se puedan realizar de forma automatizada. El objetivo formativo de este bloque es habilitar al estudiante para que sea capaz de poner en marcha su propio sistema de instrumentación automatizado en un entorno laboral. Para su desarrollo optamos por apoyarnos mayoritariamente en software libre.

Actualmente existen muchas tecnologías desarrolladas en torno a la automatización de medidas y resulta imposible la formación en todas ellas. En ese sentido se ha buscado centrarse en la comunicación con los instrumentos mediante el lenguaje SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments www.scpi.org (http://www.ivifoundation.org/scpi/) debido a varias razones:

A) Es un estándar al que se han unido prácticamente todas las grandes empresas de instrumentación.

B) Dado que se trata de un lenguaje de comunicación con el instrumento no está vinculado a un lenguaje de programación específico.

C) Permite la creación de sistemas de instrumentación mediante el uso de software libre.

Sin embargo, los instrumentos capaces de reconocer el lenguaje SCPI son de gama media o alta y por tanto tienen un precio, que si bien no es desorbitado, sí que imposibilita el poder disponer de varios puestos de trabajo equipados cada uno de ellos con varios de estos instrumentos. En concreto, en la asignatura que se ha indicado las prácticas de laboratorio están organizadas típicamente en turnos de 14 estudiantes, con 7 puestos de trabajo por turno, dos estudiantes por puesto. Inicialmente se contaba con unos tres instrumentos diferentes capaces ser controlados mediante SCPI por lo que resultaba imposible tener 7 puestos funcionales trabajando localmente con ellos.

La solución por la que se optó fue la de desarrollar un programa de ordenador que actuase como un servidor a través de conexiones TCP/IP de forma que permitiera multiplexar el uso de los instrumentos entre diferentes programas clientes. De esta forma, en una sesión de prácticas normal, se propone a los estudiantes un problema metrológico cuya resolución deben automatizar, esto es, debe ser resuelto operando los instrumentos a través del ordenador. Los estudiantes inician entonces un ciclo en el que:

A) Escriben el guión (script) SCPI en una aplicación cliente (que también se desarrolló de forma específica) que hace también las veces de editor de texto.

B) Cuando lo tienen listo, se conectan con el servidor, que tiene los instrumentos conectados localmente, y le envían el guión a través de TCP/IP.

C) El servidor comprueba si los instrumentos que necesitan están libres. En caso de no estarlo envía un aviso al programa cliente del estudiante. Este les da la indicación de estado de espera y lo vuelve a reintentar automáticamente al cabo de pocos segundos hasta que es aceptado.

D) Una vez que se tiene acceso a los instrumentos, el servidor ejecuta el guión y envia las respuestas recibidas de los instrumentos al programa cliente que las muestra al estudiante.

E) A partir de las respuestas recibidas, el estudiante modifica el guión y vuelve a probarlo hasta obtener los resultados deseados.

Es interesante hacer notar que la mayor parte del tiempo el estudiante lo emplea en la edición del código frente a la ejecución del mismo, por lo que aunque todos ellos están compartiendo el uso de unos pocos instrumentos, las latencias son pequeñas.

Dado que es importante durante el proceso de depuración del guión que el estudiante observe el "frontal" (display y botonera) del instrumento que está controlando, en el laboratorio se coloca una cámara de vídeo que permanentemente proyecta los frontales de los instrumentos en una pantalla de forma que sean visibles desde todos los puestos. Por otra parte, el programa servidor permite al profesorir visualizando todos los guiones que envían los estudiantes con lo que puede detectar errores e irles corrigiendo personalizadamente.

Debido a que la comunicación entre cliente y servidor se hace a través de un enlace TCP/IP, el sistema no está constreñido a trabajar a través de la red de comunicaciones de área local del laboratorio. En ese sentido, fuera de los turnos de prácticas y de cara a la preparación del examen, se facilitó la descarga del programa cliente a los estudiantes y se puso en marcha el servidor conectado a diferentes instrumentos de forma que pudieran trabajar con el sistema a través de cualquier ordenador conectado a Internet y a cualquier hora. La cámara que proyectaba los frontales a una pantalla del laboratorio fue reemplazada por una webcam accesible a través de una página web. Este sistema está pensado para trabajar de forma desatendida. Sin embargo, en caso de estar el profesor junto a los instrumentos también se puede completar (aunque no se ha tenido una experiencia continuada de esto) mediante algún sistema de chat para facilitar la comunicación profesor-estudiante.

De forma añadida, el programa servidor resultó ser suficientemente flexible para facilitar otras tareas docentes. En concreto, dentro del apartado de formación en instrumentación eléctrica básica, a los estudiantes tradicionalmente se les realizaba un test para ver su grado de conocimiento del uso del osciloscopio. Ello implicaba la generación de señales eléctricas de forma controlada, sobre esas señales los estudiantes hacían un conjunto de mediciones y se comprobaban los resultados dentro de un límite de tolerancia. Todo esto implicaba (estamos hablando de evaluar a 70 estudiantes) un enorme trabajo de configuración de equipos y análisis de respuestas. El problema se solventó con la creación de tres puestos automatizados controlados mediante un único servidor al que accedían tres programas clientes diseñados específicamente para esta prueba. Así los programas clientes:

A) Daban instrucciones al estudiante sobre el problema a resolver.

B) Activaban las excitaciones durante un tiempo predeterminado.

C) Aceptaban las respuestas del estudiante y les indicaban si eran correctas o no.

Los autores de este proyecto forman parte del Equipo Docente de Electricidad y Magnetismo de la Universidad de Zaragoza (EDEMUZ).

Desde un punto de vista metodológico, para desarrollar un sistema de instrumentación automatizada, el estudiante debería normalmente escribir un programa de ordenador que incluyera los mandatos SCPI. Aunque podría considerarse deseable la escritura completa de dicho programa, ello conllevaría el riesgo de convertir las prácticas de Electrometría en prácticas de Programación, contenidos que ya están cubiertos en otras asignaturas. El programa cliente evita esto dado que el estudiante únicamente debe escribir los mandatos SCPI que se van a enviar a cada instrumento.

Así la metodología empleada es la siguiente:

A) Con respecto a la formación en programación SCPI

Tres sesiones de prácticas de dos horas con los siguientes contenidos

Durante las tres sesiones el profesor, además de impartir las cuestiones teóricas correspondientes al lenguaje SCPI, orienta al alumno en la resolución del problema y resuelve problemas puntuales, induciéndole en todo momento a que trate de buscar la solución por sí mismo a través de los manuales de uso de los instrumentos de que dispone.

B) Con respecto a la formación en el uso del osciloscopio

1) A los estudiantes se les van dando indicaciones teóricas sobre el uso del osciloscopio, teniendo que comprobarlas en el laboratorio en la forma "tradicional" (hay disponibilidad de un osciloscopio para cada puesto de trabajo)

2) La evaluación de la actividad se hace de forma automatizada y prácticamente desatendida por parte del profesor (su presencia se requiere a efectos de vigilancia y resolución de incidencias)

A) El programa servidor se ha escrito en C++, tratando de facilitar su ejecución multiplataforma (en concreto se ha empleado la librería multiplataforma wxWidgets (http://www.wxwidgets.org/ ). Se han ejecutado versiones bajo Windows y Linux aunque generalmente se utiliza bajo Linux. La configuración de los sistemas de instrumentación se realiza mediante un fichero XML con objeto de facilitar su utilización por un futuro usuario sin formación específica en programación.

B) El programa cliente se he escrito en C++ y normalmente se ejecuta bajo Windows dado que ese es el sistema operativo instalado en los ordenadores de los laboratorios. Esto ha ocasionado algunos inconvenientes dado que las modificaciones sobre el programa (aunque funcional no hay que perder de vista que está en desarrollo) requerían un proceso de compilación/distribución que no se podía hacer de forma inmediata. Su interface se ha reducido al máximo tratando de que el estudiante se centre en los problemas específicos del lenguaje SCPI antes que en aprender el funcionamiento de un programa complejo. Esencialmente consta de una ventana de texto para edición de código, una ventana de texto para recepción de respuestas y botones para cerrar la aplicación, configurar la conexión y enviar el código al servidor. Actualmente se está trabajando en una versión escrita en Python que, al ser un lenguaje interpretado, facilitará y acelerará su mantenimiento y ejecución multiplataforma.

C) La utilización de forma remota de la instrumentación por parte del alumno a través de Internet se complementa con una webcam y una interface web.

Dos aspectos, fundamentalmente:

A) El esquema de multiplexación mostrado permite acceder a los estudiantes a recursos a los que normalmente no tendría acceso, dado que cubre con dos o tres instrumentos las necesidades de un grupo de prácticas (14 o más estudiantes) cuando mediante métodos tradicionales requeriría la utilización de 28 o más instrumentos, lo que tendría un coste prohibitivo.

B) Aunque dentro de la Universidad de Zaragoza ya existen muchas iniciativas docentes para la formación de forma no presencial, resulta más problemática la no presencialidad con respecto al trabajo de laboratorio. A nivel internacional hay un desarrollo activo actual en este sentido (véase http://www.online-journals.org/i-joe/). Es interesante hacer notar que, si bien siempre existe la relativa contradicción de que siendo el sentido final de las prácticas de laboratorio permitir que el estudiante tenga una experiencia real con los equipos ("que los toque con las manos"), éstas se adecúan mal a la formación no presencial. Sin embargo hay ámbitos en los que ello es posible, como el de este caso. El alumno, en principio, ya ha pasado una fase en que conoce y "ha tocado" el instrumento y, de forma no presencial, va a aprender a controlarlo por ordenador. Técnicamente esta solución está a las puertas de considerarse un WebLab (o se podría considerar ya, según criterios). En la actualidad no se tiene constancia de una iniciativa institucional para la creación de una infraestructura homogeneizada de WebLab en la Universidad de Zaragoza.

No se dispone de indicadores claros. La asignatura es troncal y por tanto los estudiantes no tienen libertad de elegirla. A tenor de las encuestas de evaluación de la docencia de la Universidad de Zaragoza, la asignatura (y/o el profesor) está valorada positivamente por parte de los estudiantes con un resultado de 4.2 sobre 5 en el curso 2009-2010. En cualquier caso, este bloque de docencia corresponde aproximadamente a un tercio del contenido total.

La introducción de una práctica de control de instrumentación por ordenador mediante SCPI se realizó en la asignatura en el curso 2004-2005 con un programa que controlaba de forma local una fuente de alimentación a través de una conexión RS232. A partir de ahí se han ido introduciendo mejoras curso a curso. El esquema cliente-servidor se introdujo en el curso 2006-2007. Su uso a través de la web en el 2008-2009 aunque se empleó claramente en el curso siguiente. En ese mismo curso 2009-2010 se introdujo el test automatizado de uso del osciloscopio.

Desde el punto de vista docente, mejoras futuras que se contemplan son:

Desde un punto de vista tecnológico algunas de las mejoras futuras que se consideran para la herramienta son:

Dado que la herramienta constituye la base de un WebLab, cualquier asignatura que incluya prácticas de laboratorio puede beneficiarse de ella:

• Un motor eléctrico dotado con instrumentos de medida y actuadores controlables mediante SCPI puede ser utilizada en paralelo y/o de forma remota por los estudiantes.
• Un conjunto de componentes eléctricos junto con un conjunto de relés e instrumentos de medida controlables mediante SCPI pueden configurarse como una práctica de Teoría de Circuitos realizable remotamente.
• Un ordenador en el interior de una jaula de alta tensión y con un enlace TCP/IP (existirían problemas de ruido eléctrico que habría que solventar) podría permitir a un estudiante controlar y realizar de forma segura una práctica de alta tensión.