SISTEMA DE SUPERVISIÓN REMOTO DE LAS VARIABLES …

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

SISTEMA DE SUPERVISIÓN REMOTO DE LAS VARIABLESELÉCTRICAS DEL LABORATORIO DE LA ESCUELA DE

INGENIERÍA ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Br. Julio Carpio

Mérida, Octubre 2009

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SISTEMA DE SUPERVISIÓN REMOTO DE LASVARIABLES ELÉCTRICAS DEL

LABORATORIO DE LA ESCUELA DEINGENIERÍA ELÉCTRICA DE LA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero

Electricista

Br. Julio Carpio

Tutor: Prof. Jesús Calderón

Mérida, Octubre 2009

iii



SISTEMA DE SUPERVISIÓN REMOTO DE LAS VARIABLES ELÉCTRICAS DEL

LABORATORIO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DE LA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Br. Julio Carpio

Trabajo de Grado, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos para optar al

título de Ingeniero Electricista, aprobado en nombre de la Universidad de Los Andes por el

siguiente jurado.

Prof. Leonardo Zambrano Prof. Francisco Viloria

C.I. 8.020.142 C.I. 9.164.539

Prof. Jesús Calderón

C.I. 8.030.137

4

Br. Julio Carpio. Sistema de Supervisón Remoto de las Variables Eléctricas delLaboratorio de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Los Andes.Universidad de los Andes. Tutor: Prof. Jesús Calderón. Octubre 2009.

RESUMEN

En la actualidad se están presentando problemas significativos en cuanto a lacontinuidad de la energía eléctrica entregada por la red de CADAFE, esto trae comoconsecuencias el deterioro de equipos eléctricos y electrónicos como los utilizados en elLaboratorio de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de los Andesalimentados por dicha red, el propósito de este estudio es realizar el monitoreo a distanciade las variables eléctricas del laboratorio para que de esta manera el personal encargadopueda tomar las medidas pertinentes y así poder evitar el deterioro de los equipos.

El trabajo del autor consiste en la realización de un sistema capaz de captar lasseñales de voltaje y corriente, acondicionar dichas señales para facilitar el manejo ymanipulación de las variables eléctricas contenidas en estás señales, diseñar, desarrollar yllevar a cabo la implementación de estos circuitos eléctricos, además realizar las interfacesnecesarias para mostrar y registrar los resultados en un ambiente amigable con capacidadde supervisón remota.

Descriptores: ondas senoidales, transductores, acondicionamiento de señales,multiplicación de ondas en el tiempo, lenguajes de programación, microcontrolador,protocolos de comunicación, interfaz gráfica.

ÍNDICE GENERAL

APROBACIÓN iiRESUMEN iiiINTRODUCCIÓN 1Capítulo pp

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 21.1. Justificación 21.2. Planteamiento del problema 21.3. Objetivos generales y específicos 3

1.3.1. Objetivo general 31.3.2. Objetivos específicos 3

2. MARCO TEÓRICO Y DEFINICIONES 42.1. Conceptos generales 4

2.1.1. Sistemas de medidas 42.1.2. Transductores 42.1.3. Sensores 52.1.4. Acondicionamiento y presentación 52.1.5. Interfaces 52.1.6. Onda senoidal 52.1.7. Voltaje alterno 62.1.8. Corriente alterna 62.1.9. Transformador de tensión 72.1.10. El trasformador de intensidad o corriente 72.1.11. Divisor de tensión 82.1.12. Amplificador operacional 82.1.13. Multiplicación de oscilaciones senoidales de la misma frecuencia 82.1.14. Potencia activa 92.1.15. Potencia reactiva 102.1.16. Potencia aparente 102.1.17. Factor de potencia 112.1.18. Circuito trifásico balanceado 11

2.2. Interfaz de comunicación rs-232 122.2.1. Construcción física 132.2.2. Características eléctricas del circuito 14

2.3. Microcontrolador 162.4. Protocolo de comunicación modbus 16

2.4.1. Estructura de la red 162.4.2. Protocolo 172.4.3.Descripción de las funciones del protocolo 192.2.4.Nivel de aplicación 26

2.5. Software de aplicación labView 27

2.5.1. Panel frontal 272.5.2. Diagrama de bloques 27

3. DESCRIPCIÓN DE CIRCUITOS ACONDICIONADORES DE SEÑAL YPROGRAMACIÓN 283.1. Captación de las señales de tensión 293.2. Captación de las señales de corriente 323.3. Obtención de la potencia activa por fase 353.4. Programación del microcontrolador 40

3.4.1. Programación para la obtención del voltaje pico 443.4.2. Programación para la obtención de la corriente pico 463.4.3. Programación para determinar el adelanto o atraso entre la corriente

y la tensión 483.4.4. Programación para adquirir el valor de potencia activa 513.4.5. Programación para el envío de datos 533.4.6. Fuente de alimentación 57

4. INTERFAZ GRÁFICA 594.1. Funciones y vis de la paleta de funciones (diagrama de bloques) 594.2. Configuración del puerto serial 664.3. Clave de acceso para los umbrales de las alarmas 684.4. Adquisición de los datos 704.5. Configuración para los voltajes 714.6. Configuración para las corrientes 794.7. Configuración para las potencias y factores de potencia 824.8. Configuración para la adquisición de datos en el archivo contenedor del

Historial 874.9. Configuración para el cálculo del balance en las fases del laboratorio 894.10. Publicación del panel frontal 92CONCLUSIONES 94RECOMENDACIONES 96REFERENCIAS 97

LISTA DE FIGURAS

Figura pp2.1. Corriente alterna senoidal. 62.2. Valor eficaz de una magnitud senoidal. 72.3. Multiplicación de dos ondas senoidales de la misma frecuencia para el ejemplo

del cálculo de potencia. 92.4. Triangulo de potencias. 112.5. Características eléctricas del sistema. 122.6. Cálculo del crc codificación rtu. 203.1.diagrama de bloques general del proceso de supervisión.3.2. Diagrama de flujo del manejo de variables para la realización del

monitoreo de estas en el laboratorio. 293.3. Diagrama de flujo de la captación y acondicionamiento de las

señales de tensión. 293.4. Transformador de tensión miyako LP-421. 303.5. Divisor de tensión. 303.6. Sumador de offset para señales reducidas de tensión. 313.7. Diseño del acondicionador de señales de tensón. 313.8. Diagrama de flujo de la captación y acondicionamiento de las

señales de corriente. 323.9. Curva de reacción de las pinzas amperimétricas utilizadas

para la captación de las corrientes en cada una de las fases. 333.10. Amplificador de la señal saliente de la pinza amperimétrica. 343.11. Sumador de offset para señales amplificadas de corriente. 343.12. Diseño del acondicionador de señales de corriente. 353.13. Diagrama de flujo de la obtención y acondicionamiento de la

potencia activa por fase. 363.14. Circuito para la obtención de potencia activa. 313.15. Equivalentes a los valores máximos de tensión (canal a) y corriente (canal b),

entrantes al circuito multiplicador. 373.16. Onda resultante a la multiplicación (canal a) y promedio de la onda multiplicada

(canal b), equivalente a la máxima potencia activa consumida por el laboratorio. 373.17. Circuito amplificador de la potencia activa. 383.18. Diseño del acondicionador de señales de potencia activa. 393.19. Diagrama de circuito impreso de la tarjeta acondicionadora de señales de potencia

activa cara de componentes. 403.20. Diagrama de circuito impreso de la tarjeta acondicionadora de señales de potencia

activa, cara de pistas y componentes de montaje superficial, visto desde arribade la tarjeta. 40

3.21. Diagrama de flujo del esquema general para la programación delmicrocontrolador. 41

3.22. Configuración de las entradas analógicas y salidas digitales delmicrocontrolador a utilizar. 42

3.23. Configuración del wizard para la programación del microcontrolador. 423.24. Inicialización del proyecto entregada por el wizard. 433.25. Comando utilizado para la transmisión de datos. 443.26. Diagrama de flujo de la programación para la obtención de la tensión pico. 443.27. Programación para la obtención de la tensión pico en la fase 1. 453.28. Diagrama de flujo de la programación para la obtención de la corriente pico. 463.29. Programación para la obtención de la corriente pico en la fase 1. 473.30. Diagrama de flujo de la programación para determinar el desfasaje

entre la corriente y la tensión. 483.31. Programación para determinar el desfasaje entre corriente y la

tensión en la fase 1. 493.32. Diagrama de flujo de la programación para adquirir el valor de potencia

activa en la primera fase. 513.33. Programación para adquirir el valor de potencia activa en la primera fase. 523.34. Programación para enviar los datos al computador. 533.35. Diseño del acondicionador del microcontrolador. 543.36. Diagrama de circuito impreso de la tarjeta acondicionadora de señales de

tensión, señales de corriente y microcontrolador, cara de componentes. 553.37. Diagrama de circuito imprso de la tarjeta acondicionadora de señales de

tensión, señales de corriente y microcontrolador, cara de pistas y componentesde montaje superficial, visto desde arriba de la tarjeta. 56

3.38. Diseño de la fuente de tensión alimentadora de las tarjetas deAdquisición de datos. 57

3.39. Diagrama de circuito impreso de la fuente de tensión alimentadora delas tarjetas de adquisición de datos, (a) cara de componentes, (b) cara depistas y componentes de montaje superficial, visto desde arriba de la tarjeta. 57

4.1. Diagrama de bloques de la configuración del puerto serial e iniciodel programa. 67

4.2. Diagrama de bloques de la clave de acceso para los umbrales de lasalarmas. 69

4.3. Panel frontal de la clave de acceso para los umbrales de las alarmas. 704.4. Diagrama de bloques de la adquisición de datos. 704.5. Diagrama de bloques de la configuración para los voltajes. 724.6. Diagrama de bloques para el envío de correo electrónico cuando el

voltaje en la primera fase supere el umbral permitido. 744.7. Diagrama de bloques para el envío de correo electrónico cuando el

voltaje en la primera fase no alcance el umbral permitido. 754.8. Diagrama de bloques para el envío del valor de voltaje pico en la

primera fase hacia el archivo contenedor del historial y la generaciónde alarmas visuales en el panel frontal. 76

4.9. Panel frontal de la alarma referente al voltaje en la primera fase. 784.10. Panel frontal de la alarma referente a cualquier eventualidad. 784.11. Diagrama de bloques de la configuración para las corrientes. 794.12. Diagrama de bloques para el envío de correo electrónico cuando

la corriente en la primera fase supere el umbral permitido. 804.13. Diagrama de bloques para el envío del valor de corriente pico en la

primera fase hacia el archivo contenedor del historial y la generación

de alarmas visuales en el panel frontal. 814.14. Diagrama de bloques de la configuración para las potencias y factores

de potencias. 834.15. Panel frontal de la visualización del factor de potencia en adelanto. 844.16. Panel frontal de la visualización del factor de potencia en atraso. 854.17. Diagrama de bloques para el envío de los valores de potencias y factor de potencia

de la primera fase hacia el archivo contenedor del historial y a la comprobación debalances entre las fases del laboratorio. 85

4.18. Diagrama de bloques para la adquisición de datos en el archivocontenedor del historial. 88

4.19. Diagrama de bloques para el cálculo del balance en las fases dellaboratorio y finalización del programa. 90

4.20. Panel frontal de la visualización del balance de potencias de laprimera fases con las demás. 92

4.21. Panel frontal principal y selección de las herramientas utilizadas para la publicacióndel mismo. 93

4.22. Plantilla a llenar para la publicación del panel frontal. 93

LISTA DE TABLAS

Tabla pp2.1. Función de los pines. 132.2. Comparación entre el DB-9 y el DB-25. 142.3. Codificación ASCII de la trama genérica del mensaje según el código empleado. 182.4. Codificación RTU de la trama genérica del mensaje según el código empleado. 182.5. Funciones básicas y códigos de operación. 192.6. Trama genérica de las subfunciones de control de esclavos (cód. función 00H) 212.7. Subfunciones correspondientes a la función =00H. 212.8. Petición del maestro PPP = Dirección de la palabra (hex),

B= Dirección del bit dentro de la palabra 0 a FH. 222.9. Respuesta del esclavo petición y respuesta de la función:

Lectura de bits (01H, 02H) 222.10. Petición del maestro, PPPP = Dirección de la palabra (hex.) 222.11. Respuesta del esclavo, Lectura de palabras (03H, 04H) 222.12. Petición del maestro, PPP = Dirección de la palabra (hex.),

B= Dirección del bit dentro de la palabra 0 a FH. 232.13. Respuesta del esclavo, XXH = 00H para bit = 0 y XXH= FFH para bit = 1 232.14. Petición del maestro. 232.15. Respuesta del esclavo. 232.16. Petición del maestro. 232.17. Respuesta del esclavo. 242.18. Petición del maestro. 242.19. Respuesta del esclavo. 242.20. Petición del contenido y control de los 8 primeros contadores de

diagnóstico de un esclavo 242.21. Petición del maestro. 252.22. Respuesta del esclavo. 252.23. Petición del maestro. 252.24. Respuesta del esclavo. 252.25. Petición del maestro. 252.26. Respuesta del esclavo. 262.27. Respuesta del esclavo. 26

INTRODUCCIÓN

Actualmente la problemática presentada en cuanto a la continuidad de la energía

eléctrica entregada por la red de CADAFE trae como consecuencias el deterioro de equipos

eléctricos y electrónicos alimentados por dicha red, los equipos existentes necesarios para el

desarrollo de las cátedras dictadas en el Laboratorio de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la

Universidad de Los Andes no escapan de estas irregularidades .Al ocurrir fallas es de gran

utilidad tener un conocimiento previo de las características eléctricas que mantienen a los

equipos en funcionamiento, tales como, niveles de tensión, cargas acopladas, factor de

potencia y balance en las líneas entre otros, para que de esta manera el personal encargado del

laboratorio pueda tomar las medidas pertinentes y prever en lo posible las fallas ocurridas en

los equipos; así entonces se propone el diseño de un sistema que permita realizar la

supervisión de estas variables eléctricas de manera local y remota, registre un historial de ellas

y genere alarmas cuando estén fuera del alcance de las consignas asignadas.

El trabajo del autor consistió en analizar los niveles aceptados y permitidos para el

laboratorio y a partir de ahí realizar los estudios necesarios para el diseño y posible

implementación de un sistema de medida confiable que cumpla con los requerimientos ya

mencionados.

El presente trabajo se compone de cuatro capítulos: el primero dedicado al

planteamiento del problema y la justificación del proyecto, estableciendo los objetivos que se

desean alcanzar con el mismo. El segundo capítulo presenta ciertos conceptos y descripciones

de los elementos principales de los sistemas para un mejor entendimiento de su

funcionamiento. En el tercer capítulo se explican los criterios electrónicos utilizados en el

diseño de cada uno de los circuitos necesarios para la realización de la tarjeta de adquisición

de datos, así como la fabricación de cada una de sus etapas y se explican las herramientas de

software utilizadas para la programación del microcontrolador utilizado. El cuarto y último

capítulo dedicado a la explicación detallada de los diagramas de bloques que conforman la

interfaz grafica diseñada para la interacción de los usuarios con el instrumento.

CAPÍTULO I

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 JUSTIFICACIÓN

En la actualidad se están presentando problemas significativos en cuanto a la

continuidad de la energía eléctrica entregada por la red de CADAFE; en el Laboratorio de

Circuitos y Medidas y Electrónica de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de

los Andes, el cual alberga entre otros, varios equipos eléctricos y electrónicos, los cuales son

indispensables para la realización de las actividades académicas de las materias pertinentes

dictadas en dicho laboratorio. De aquí surge la necesidad de supervisar las tres fases que

alimentan este laboratorio y así al momento de ocurrir una falla tener conocimiento pleno de

como está la alimentación de dichos equipos (niveles de corriente, niveles de tensión, factor de

potencia, balanceo en las líneas) y en consecuencia poder garantizar un funcionamiento

óptimo. Al tener un registro físico de las cargas acopladas a cada fase se podrá garantizar un

mejor balanceo de las fases al momento de conectar los nuevos equipos.

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Realizar la supervisión a distancia de las variables eléctricas del Laboratorio de la

Escuela de Ingeniería Eléctrica requiere la realización de un circuito capaz de de captar las

señales de voltaje y corriente, acondicionar dichas señales para facilitar el manejo y

manipulación de las variables eléctricas contenidas en estás señales. El trabajo se basa en

diseñar, desarrollar y llevar a cabo la implementación de estos circuitos eléctricos, además

3

realizar las interfaces necesarias para mostrar y registrar los resultados en un ambiente

amigable con capacidad de supervisión remota.

1.3 OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS

1.3.1. Objetivo General

Diseñar e implementar un sistema de supervisión remoto para el Laboratorio de

Circuitos y Medidas y Electrónica de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la

Universidad de los Andes, el cual permita mantener un registro de los niveles de

alimentación eléctrica.

1.3.2. Objetivos Específicos

Diseñar un sistema que informe ocurrencia de una falla en la alimentación del

laboratorio.

Diseñar un sistema que almacene un historial de los valores de voltaje, corriente, factor

de potencia y balance en las fases del laboratorio.

Realizar estudio de los protocolos de comunicación necesarios para las

comunicaciones entre los instrumentos de medición y los microcontroladores, y de

estos últimos con el computador.

Trasmitir la información de los diseños anteriores a través de Internet para realizar el

monitoreo de fallas y niveles a larga distancia.

. Diseñar una interfaz gráfica amigable para la visualización de las variables requeridas

en el computador.

4

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO Y DEFINICIONES

Para una mejor comprensión del funcionamiento de este estudio en cuanto a los

elementos utilizados, leguajes de programación, métodos y criterios utilizados para el diseño,

este capítulo presenta una breve descripción de ciertos conceptos de utilidad, los cuales se

presentan a continuación.

2.1CONCEPTOS GENERALES

2.1.1. Sistemas de Medida

Se denomina sistema a la combinación de dos o más elementos, subconjuntos y partes

necesarias para realizar una o varias funciones. En los sistemas de medida esta función es la

asignación objetiva y empírica de un número a una propiedad o cualidad de un objeto o

evento, de tal forma que la describa. Los objetivos de la medida pueden ser la vigilancia o

seguimiento de procesos, el control de un proceso y también puede ser una necesidad de la

ingeniería experimental.

2.1.2. Transductores

Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte una señal de una

forma física en una señal correspondiente pero de otra forma física distinta. Es por tanto, un

dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. Dado que hay seis tipos de señales

(mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares o químicas), cualquier

dispositivo que convierta una señal de un tipo en una señal de otro tipo debería considerarse

un transductor, y la señal de salida podría ser cualquier forma física útil.

5

2.1.3. Sensores

Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una

señal de salida transducible que es función de la variable medida. Sensor y transductor se

emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un significado más extenso: la

ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades físicas que, por su

naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos.

2.1.4. Acondicionamiento y Presentación

Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son

los elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal de salida de un sensor

electrónico, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un

procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estándar. Consisten normalmente

en circuitos electrónicos que ofrecen, entre otras funciones, las siguientes: amplificación,

filtrado, adaptación de impedancias y modulación o demodulación. La presentación de los

resultados puede ser de forma analógica (óptica, acústica o táctil) o numérica (óptica). El

registro puede ser magnético o sobre papel, e incluso electrónico (memorias eléctricas), y

exige siempre que la información de entrada este en forma eléctrica.

2.1.5. Interfaces

En los sistemas de medida, las funciones de transducción, acondicionamiento,

procesamiento y presentación, no siempre se pueden asociar a elementos físicos distintos.

Además, la separación entre el acondicionamiento y el procesamiento puede ser a veces difícil

de definir. Pero, en general, siempre es necesaria una acción sobre la señal del sensor antes de

su utilización final. Con el término interfaz se designa, en ocasiones, el conjunto de elementos

que modifican las señales, cambiando incluso de dominio de datos, pero sin cambiar su

naturaleza, es decir, permaneciendo siempre en el dominio eléctrico.

2.1.6. Onda senoidal

Es la gráfica de la función matemática del seno de la trigonometría. Consiste en una

frecuencia única con una amplitud constante. y su espectro es un punto único. Teóricamente,

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una onda senoidal existe un tiempo infinito y nunca cambia. La transformada matemática, que

convierte la forma de la onda del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia se llama la

transformada de Fourier y comprime toda la información en la onda senoidal de un tiempo

infinito en un punto.

2.1.7. Voltaje Alterno

Este tipo de voltaje es el que es generado en las líneas o tomas de corriente, este tipo de

voltaje se le llama alterno porque puede variar y aparte esta oscilando en la parte positiva y

negativa. Regularmente estos voltajes se manejan como funciones senoidales, que pueden

variar en el tiempo.

2.1.8. Corriente Alterna

Es aquella en que la que la intensidad cambia de dirección periódicamente en un

conductor. Como consecuencia del cambio periódico de polaridad de la tensión aplicada en los

extremos de dicho conductor. La variación de la tensión con el tiempo puede tener diferentes

formas: senoidal (la forma fundamental y mas frecuente en casi todas las aplicaciones de

electrotecnia); triangular; cuadrada; trapezoidal y otras.

Figura 2.1. Corriente alterna senoidal. (tomado dehttp://webpages.ull.es/users/ddtorres/Docencia/Intalaciones/Electrifica/Tema%202.htm)

En corriente alterna la tensión eficaz tiene un concepto físico de equivalencia con una

tensión de corriente continua que produjese la misma disipación térmica en la resistencia, que

la que disipa la corriente alterna, matemáticamente se designa como valor eficaz de una

http://webpages.ull.es/users/ddtorres/Docencia/Intalaciones/Electrifica/Tema%202.htm

7

magnitud sinusoidal a la raíz cuadrada del valor medio de su cuadrado, y es igual al valor

máximo dividido por raíz cuadrada de 2.

2.1.9. Transformador de Tensión

Este es utilizado para rebajar ó disminuir las altas tensiones de los sistemas eléctricos,

con fines de medida ó para alimentar bobinas de voltaje de roles a tensiones más bajas. Los

transformadores de tensión se construyen para soportar hasta un 20% sobre su valor nominal.

El transformador de tensión debe cumplir con proporcionalidad de la tensión del secundario

respecto a la tensión del primario, para todo el campo de medida; para esto es preciso que las

caídas de tensión por resistencia en el primario y secundario sean despreciables.

Figura 2.2. Valor eficaz de una magnitud senoidal. (tomado dehttp://webpages.ull.es/users/ddtorres/Docencia/Intalaciones/Electrifica/Tema%202.htm)

2.1.10. El transformador de Intensidad o Corriente

Está constituido por un primario cuyo devanado tiene un número de espiras muy

reducido (N1) y se conecta en serie con la línea; y un secundario cuyo devanado está

constituido por numerosas espiras (N2) y que se conecta al correspondiente circuito de uso ó

carga.

La corriente de carga (I1) depende del consumo primario y no del secundario; a su vez,

la corriente secundaria (I2) es prácticamente independiente de los aparatos que constituyen la


8

carga secundaria y esta en relación constante inversa del número de espiras, con la corriente

que circula por el devanado primario, a la cual tiende a neutralizar magnéticamente. Si se

altera la impedancia del circuito secundario, varía la tensión entre las bordes de salida del

transformador y proporcionalmente (en relación con el número de espiras), también la caída de

tensión entre los bordes del primario. Por lo tanto, la relación fundamental de un

transformador de intensidad es: N1I1 = N2I2.

2.1.11. Divisor de Tensión

Es una configuración de circuito eléctrico que reparte la tensión de una fuente entre

una o más impedancias conectadas en serie. Los divisores de tensión se usan frecuentemente

en el diseño de circuitos porque son útiles para generar un voltaje de referencia, para la

polarización de los circuitos activos, y actuando como elementos de realimentación.

2.1.12. Amplificador Operacional

Es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene la capacidad de manejo de

señal hasta una frecuencia definida por el fabricante, tiene además límites de señal que van

desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificación también definida por el

fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan pro su entrada diferencial y una

ganancia muy alta, el amplificador operacional (AO) es un amplificador de alta ganancia

directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual

permite que tenga excursiones tanto por arriba como por debajo de tierra (o el punto de

referencia que se considere).

2.1.13. Multiplicación de Oscilaciones Senoidales de la Misma Frecuencia

Es sabido que la potencia presente en un sistema alimentado por corriente altera toma

la forma

P = V * I. (2.1)

Que representa una curva resultado de la multiplicación de los valores instantáneos de

la corriente por la tensión. En la figura 2.3 se representa un ejemplo calculado para Vmax = 5

V e Imax = 3 A. La curva resultante presenta un valor de cresta de Pmax = 3*5 = 15 W.

9

Se observa que el período inicial de 360º de las oscilaciones originales contiene dos

oscilaciones completas de la curva de potencia. De ello se deduce una conclusión de validez

general: al multiplicar una oscilación senoidal por otra se obtiene una nueva oscilación cuya

frecuencia es la suma de frecuencias de las ondas factores de la multiplicación. La potencia

eficaz correspondiente a la ecuación 2.2.

P = Vef * Ief. (2.2)

Figura 2.3. Multiplicación de dos ondas senoidales de la misma frecuencia para elejemplo del cálculo de potencia. (tomado de

http://www.locuradigital.com/libros_de_electronica/radio/fundamentos_de_radio.htm)

2.1.14. Potencia Activa

Cuando conectamos una resistencia (R) o carga resistiva en un circuito de corriente

alterna, el trabajo útil que genera dicha carga determinará la potencia activa que tendrá que

proporcionar la fuente de fuerza electromotriz (FEM). La potencia activa se representa por

medio de la letra (P) y su unidad de medida es el watt (W). La fórmula matemática para hallar

http://www.locuradigital.com/libros_de_electronica/radio/fundamentos_de_radio.htm

10

la potencia activa que consume un equipo eléctrico cualquiera cuando se encuentra conectado

a un circuito monofásico de corriente alterna es P = V*I*cos .

P = Potencia de consumo eléctrico, expresada en watt (W).

I = Intensidad de la corriente que fluye por el circuito, en ampere (A).

Cos = Valor del factor de potencia o coseno de “fi”.

2.1.15. Potencia Reactiva

Esta potencia la consumen los circuitos de corriente alterna que tienen conectadas

cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores de voltaje y cualquier otro

dispositivo similar que posea bobinas o enrollados. La potencia reactiva o inductiva no

proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero los dispositivos que poseen enrollados de alambre

de cobre, requieren ese tipo de potencia para poder producir el campo magnético con el cual

funcionan. La unidad de medida de la potencia reactiva es el volt-ampere reactivo (VAR).

2.1.16. Potencia Aparente

La potencia aparente (S), llamada también "potencia total", es el resultado de la suma

geométrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que realmente suministra una

planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al vacío, es decir, sin ningún tipo de carga

conectada. La potencia aparente se representa con la letra “S” y su unidad de medida es el

volt-ampere (VA). La fórmula matemática para hallar el valor de este tipo de potencia es S =

V*I.

S = Potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA).

V = Voltaje de la corriente, expresado en volt.

I = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en ampere (A).

11

Figura 2.4. Triángulo de potencias.

2.1.17. Factor de Potencia

El factor de potencia o coseno de “fi” (Cos Ψ) tal como se muestra en la figura 2.4

representa el valor del ángulo que se forma al representar gráficamente la potencia activa (P) y

la potencia aparente (S), es decir, la relación existente entre la potencia real de trabajo y la

potencia total consumida por la carga o el consumidor conectado a un circuito eléctrico de

corriente alterna. La fórmula matemática para hallar el factor de potencia es Cos Ψ = P/S.

2.1.18. Circuito Trifásico Balanceado

Para que los tres voltajes de un sistema trifásico estén balanceados deberán tener

amplitudes y frecuencias idénticas y estar fuera de fase entre sí exactamente 120°. Si las

cargas se encuentran de manera que las corrientes producidas por los voltajes balanceados del

circuito también están balanceadas entonces todo el circuito está balanceado. Otra manera de

comprobar el balance del sistema es sumando las potencias aparentes de cada circuito

monofásico entre si, y si la suma de cada par de circuitos no excede ni difiere mas o menos del

diez por ciento del valor de potencia aparenta de cada circuito monofásico entonces podemos

asegurar que el circuito está balanceado.

12

2.2 INTERFAZ DE COMUNICACIÓN RS-232

En telecomunicaciones, RS 232 es un estándar para la conexión serial de señales de

datos binarias entre un DTE (equipo terminal de datos) y un DCE (equipo de terminación del

circuito de datos). En la jerga informática, el DTE sería el dispositivo que se conecta (como un

ratón, impresora, monitor, módem, etc.) y un DTE sería el dispositivo al que se conecta (la

computadora).

El puerto serie RS-232C, presente en todos los ordenadores actuales, es la forma mas

comúnmente usada para realizar transmisiones de datos entre ordenadores. El RS-232C es un

estándar que constituye la tercera revisión de la antigua norma RS-232, propuesta por la EIA

(Asociación de Industrias Electrónicas), realizándose posteriormente un versión internacional

conocida como V.24. Las diferencias entre ambas son mínimas, por lo que a veces se habla

indistintamente de V.24 y de RS-232C (incluso sin el sufijo "C"), refiriéndose siempre al

mismo estándar.

El RS-232C consiste en un conector tipo DB-25 de veinticinco pines, aunque es normal

encontrar la versión de nueve pines DB-9, más barato e incluso más extendido para cierto tipo

de periféricos (como el ratón serie del PC). En cualquier caso, los PCs no suelen emplear más

de nueve pines en el conector DB-25. Las señales con las que trabaja este puerto serie son

digitales, de 12 V (0 lógico) y -12 V (1 lógico), para la entrada y salida de datos, y a la

inversa en las señales de control. El estado de reposo en la entrada y salida de datos es -12 V.

Conector DB 25 Conector DB 9

Figura 2.5. Características eléctricas del sistema. (tomado dehttp://arantxa.ii.uam.es/~ar1/practicas/P2/ARI_pract2.html)

13

2.2.1 Construcción Física

La interfaz RS-232 está diseñada para distancias cortas, de unos 15 m o menos, y para

velocidades de comunicación bajas, de no más de 20 kbytes por segundo. A pesar de ello,

muchas veces se utiliza a mayores velocidades con un resultado aceptable. La interfaz puede

trabajar en comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canal simplex, half duplex o full

duplex. En un canal simplex los datos siempre viajarán en una dirección, por ejemplo desde

DCE a DTE. En un canal half duplex, los datos pueden viajar en una u otra dirección, pero

sólo durante un determinado periodo de tiempo; luego la línea debe ser conmutada antes que

los datos puedan viajar en la otra dirección. En un canal full duplex, los datos pueden viajar en

ambos sentidos simultáneamente.

Cada pin puede ser de entrada o de salida, teniendo una función específica cada uno de

ellos. Las más importantes son:

Tabla 2.1. Función de los pines.

Pin Función

TXD (Transmitir Datos)

RXD (Recibir Datos)

DTR (Terminal de Datos Listo)

DSR (Equipo de Datos Listo)

RTS (Solicitud de Envío)

CTS (Libre para Envío)

DCD (Detección de Portadora)

Las señales TXD, DTR y RTS son de salida, mientras que RXD, DSR, CTS y DCD

son de entrada. La masa de referencia para todas las señales es SG (Tierra de Señal).

Finalmente, existen otras señales como RI (Indicador de Llamada), entre otras.

http://arantxa.ii.uam.es/~ar1/practicas/P2/ARI_pract2.html

14

Tabla 2.2. Relación entre el DB-9 y el DB-25.

Numero de Pin Señal Descripción E/S

En DB-25 En DB-9

1 1 - Masa chasis -

2 3 TxD Transmit Data S

3 2 RxD Receive Data E

4 7 RTS Request To Send S

5 8 CTS Clear To Send E


6 6 DSR Data Set Ready E

7 5 SG Signal Ground -


8 1 CD/DCD (Data) Carrier Detect E

15 - TxC(*) Transmit Clock S

17 - RxC(*) Receive Clock E

20 4 DTR Data Terminal Ready S

22 9 RI Ring Indicator E

24 - RTxC(*) Transmit/Receive Clock S

(*) = Normalmente no conectados en el DB-25

2.2.2 Características Eléctricas del Circuito

Los siguientes criterios son los que se aplican a las características eléctricas de cada

una de las líneas:

1. La magnitud de un voltaje en circuito abierto no excederá los 25 V.

15

2. El conductor será apto para soportar un corto con cualquier otra línea en el cable sin daño a

sí mismo o a otro equipamiento, y la corriente de cortocircuito no excederá los 0.5 V.

3. Las señales se considerarán en el estado de MARCA, (nivel lógico “1”), cuando el voltaje

sea más negativo que menos tres volt con respecto a la línea de señal de tierra. Las señales se

considerarán en el estado de ESPACIO, (nivel lógico ”0”), cuando el voltaje sea más positivo

que 3 V con respecto a la línea de señal de tierra. La gama de voltajes entre -3 V y 3 V se

define como la región de transición, donde la condición de señal no está definida.

4. La impedancia de carga tendrá una resistencia a DC de -7000 Ω al medir con un voltaje

aplicado de entre 3 V a 25 V pero mayor de 3000 Ω cuando se mida con un voltaje de menos

de 25 V.

5. Cuando la resistencia de carga del terminador encuentra los requerimientos de la regla

cuatro anteriormente dicha, y el voltaje del terminador de circuito abierto está a 0 V, la

magnitud del potencial de ese circuito con respecto a la señal de tierra estará en el rango de 5

V a 15 V.

6. El driver de la interfaz mantendrá un voltaje entre -5 V a -15 V relativos a la señal tierra

para representar una condición de MARCA. El mismo driver mantendrá un voltaje de entre 5

V a 15 V relativos a la señal de tierra para simbolizar una señal de ESPACIO. Obsérvese que

esta regla junto con la regla tres, permite 2 V de margen de ruido. En la práctica, se utilizan

-12 V y 12 V respectivamente.

7. El driver cambiará el voltaje de salida hasta que no se excedan 30 V por micro segundo,

pero el tiempo requerido a la señal para pasar de -3 V a 3V de la región de transición no podrá

exceder un mili segundo, o el cuatro por ciento del tiempo de un bit.

8. La desviación de capacitancia del terminador no excederá los 2500 pF, incluyendo la

capacitancia del cable. Obsérvese que cuando se está usando un cable normal con una

capacitancia de 40 a 50 pF por pie de longitud, esto limita la longitud de cable a un máximo de

50 ft (15 m). Una capacitancia del cable inferior permitiría recorridos de cable más largos.

9. La impedancia del driver del circuito estando apagado deberá ser mayor que 300 Ω .

16

2.3 MICROCONTROLADOR

Se denomina Microcontrolador a un dispositivo programable capaz de realizar

diferentes actividades que requieran del procesamiento de datos digitales y del control y

comunicación digital de diferentes dispositivos.

Los Microcontroladores poseen una memoria interna que almacena dos tipos de datos;

las instrucciones, que corresponden al programa que se ejecuta, y los registros, es decir, los

datos que el usuario maneja, así como registros especiales para el control de las diferentes

funciones del Microcontrolador.

Los Microcontroladores poseen principalmente una ALU (Unidad Lógico Aritmética),

memoria del programa, memoria de registros, y puertos I/O (entrada y/0 salida). La ALU es la

encargada de procesar los datos dependiendo de las instrucciones que se ejecuten por ejemplo,

ADD, OR, AND, mientras que los puertos I/O son los que se encargan de comunicar al

Microcontrolador con el medio externo; la función de los puertos puede ser de transmisión de

datos, alimentación de corriente para el funcionamiento de éste o pines de control especifico.

2.4 PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN MODBUS

Como en tantos otros casos, la designación modbus no corresponde propiamente al

estándar de red, incluyendo todos los aspectos desde el nivel físico hasta el de aplicación, sino

a un protocolo de enlace.

Puede, por tanto, implementarse con diversos tipos de conexión física y cada fabricante

suele suministrar un software de aplicación propio, que permite parametrizar sus productos.

No obstante, se suele hablar de modbus como un estándar de bus de campo, cuyas

características esenciales son las que se detallan a continuación.

2.4.1 Estructura de la Red

Medio físico

17

El medio físico de conexión puede ser un bus semidúplex (half duplex) (RS-485 o fibra

óptica) o dúplex (full duplex) (RS-422, RS-232, BC 0-20 mA o fibra óptica).

La comunicación es asíncrona y las velocidades de transmisión previstas van desde los

75 bps a 19.200 bps. La máxima distancia entre estaciones depende del nivel físico, pudiendo

alcanzar hasta 1200 m sin repetidores.

Acceso al medio

La estructura lógica es del tipo maestro-esclavo, con acceso al medio controlado por el

maestro. El número máximo de estaciones previsto es de 63 esclavos más una estación

maestra.

Los intercambios de mensajes pueden ser de dos tipos:

Intercambios punto a punto, que comportan siempre dos mensajes: una demanda del

maestro y una respuesta del esclavo (puede ser simplemente un reconocimiento).

Mensajes difundidos. Estos consisten en una comunicación unidireccional del maestro a

todos los esclavos. Este tipo de mensajes no tiene respuesta por parte de los esclavos y se

suelen emplear para mandar datos comunes de configuración, reset, etc.

2.4.2 Protocolo

La codificación de datos dentro de la trama puede hacerse en modo ASCII o puramente

binario, según el estándar RTU (Remote Transmission Unit). En cualquiera de los dos casos,

cada mensaje obedece a una trama que contiene cuatro campos principales, según se muestra

en las tablas 2.3 y 2.4. La única diferencia escrita es que la trama ASCII incluye un carácter de

encabezamiento («:»=3AH) y los caracteres CR y LF al final del mensaje.

Pueden existir también diferencias en la forma de calcular el CRC, puesto que el

formato RTU emplea una fórmula polinómica en vez de la simple suma en módulo 16.

Con independencia de estos pequeños detalles, a continuación se da una breve

descripción de cada uno de los campos del mensaje:

18

Tabla 2.3. Codificación ASCII de la trama genérica del mensaje según el códigoempleado.

:

NºEsclavo

CódigodeOperación

Subfunciones,Datos LRC(16) CR LF

(3AH) (00-3FH) (00-FF) H L (0DH) (0AH)

Tabla 2.4. Codificación RTU de la trama genérica del mensaje según el código empleado.NºEsclavo

CódigodeOperación

Subfunciones, Datos CRC(P16)

(00-3FH) (00-FF) H L

Número de esclavo (1 byte):

Permite direccionar un máximo de 63 esclavos con direcciones que van del 01H hasta

3FH. El número 00H se reserva para los mensajes difundidos.

Código de operación o función (1 byte):

Cada función permite transmitir datos u órdenes al esclavo. Existen dos tipos básicos

de órdenes:

Ordenes de lectura/escritura de datos en los registros o en la memoria del esclavo.

Ordenes de control del esclavo y el propio sistema de comunicaciones

(RUN/STOP, carga y descarga de programas, verificación de contadores de intercambio, etc.)

La tabla 2.5 muestra la lista de funciones disponibles en el protocolo MODBUS con

sus correspondientes códigos de operación.

Campo de subfunciones/datos (n bytes):

19

Este campo suele contener, en primer lugar, los parámetros necesarios para ejecutar la

función indicada por el byte anterior. Estos parámetros podrán ser códigos de subfunciones en

el caso de órdenes de control (función 00H) o direcciones del primer bit o byte, número de bits

o palabras a leer o escribir, valor del bit o palabra en caso de escritura, etc.

Palabra de control de errores (2 bytes):

En código ASCII, esta palabra es simplemente la suma de comprobación (‘checksum’)

del mensaje en módulo 16 expresado en ASCII. En el caso de codificación RTU el CRC se

calcula con una fórmula polinómica según el algoritmo mostrado en la figura 2.6.

Tabla 2.5. Funciones básicas y códigos de operación.Función Código Tarea

0 00H Control de estaciones esclavasFunción Código Tarea

1 01H Lectura de n bits de salida o internos2 02H Lectura de n bits de entradas3 03H 03H Lectura de n palabras de salidas o internos4 04H Lectura de n palabras de entradas5 05H Escritura de un bit6 06H Escritura de una palabra7 07H Lectura rápida de 8 bits8 08H Control de contadores de diagnósticos, número 1 a 8

9 09H No utilizado10 0AH No utilizado11 0BH Control del contador de diagnósticos, número 912 0CH No utilizado

Función Código TareaFunción Código Tarea

13 0DH No utilizado14 0EH No utilizado15 0FH Escritura de n bits16 10H Escritura de n palabras

2.4.3 Descripción de las Funciones del Protocolo

Función 0:

20

Esta función permite ejecutar órdenes de control, tales como marcha, paro, carga y

lectura de programas de usuario del autómata. Para codificar cada una de las citadas órdenes

se emplean los cuatro primeros bytes del campo de datos. La trama resultante es la

representada en la tabla 2.6 y la interpretación de los códigos de subfunción se especifica en la

tabla 2.7.

0--- INDEXFFFF--- CRC

TRAMA (INDEX) XOR CRC-- CRC

O--- N

DECALAJE CRC 1 POSA LA DERECHA

CARRY=1

CRC XOR A001--- CRC

N+1=INDEX

N>7

INDEX+1=INDEX

INDEX>MAX

FIN

NO

NO

NO

Figura 2.6. Cálculo del CRC codificación RTU.

21

En caso de las órdenes de marcha y paro, el campo de «información» de la trama

representada en la tabla 2.6 está vacío y, por tanto, el mensaje se compone simplemente de 6

bytes de función más 2 bytes de CRC. La respuesta del esclavo a estas órdenes es un mensaje

idéntico al enviado por el maestro. Cabe señalar, además, que después de un paro el autómata

sólo acepta ejecutar subfunciones de la función 00H.

Tabla 2.6. Trama genérica de las subfunciones de control de esclavos (cód.función 00H).

NºEsclavo 00H

CódigoSubfunción

DatosSubfunción Información CRC(16)

(00-3FH) SF0 SF1 D0 D1 H L

Tabla 2.7. Subfunciones correspondientes a la función =00H.Código

subfunciónSF0 SF1

Datossubfunción

D0 D1Tarea

00H 00H 00H 00H Paro del esclavo sin inicializar

00H 01H 00H 00H Marcha del esclavo sin inicializar

00H 02H 00H 00H Marcha e inicialización del esclavo

00H 03H 00H XXH Lectura de la secuencia XX de programa deusuario en el esclavo

00H 04H YYH XXH Carga de una secuencia de programa deusuario en el esclavoPetición: YY = secuencia a cargar, XX=próxima secuenciaRespuesta: XX= código error, YY= 00

Funciones 1 y 2:

Lectura de bits del autómata. La trama es la indicada en las tabla 2.8. La forma de

direccionamiento de los bits es a base de dar la dirección de la palabra que los contiene y

22

luego la posición del bit. Obsérvese también en la tabla 2.9 que la respuesta es dada siempre

en octetos completos.

Tabla 2.8. Petición del maestroPPP = Dirección de la palabra (hex), B= Dirección del bit dentro de la palabra 0 a FH.

NºEsclavo

01H Dirección1er Bit

Nº deBits CRC

(00-3FH) 02H PP PB NN NN H L

Tabla 2.9. Respuesta del esclavoPetición y respuesta de la función: Lectura de bits (01H, 02H).

NºEsclavo

01H Nº Octetosleídos

1erOcteto

Otros OctetosCRC

(00-3FH) 02H NN NN B7..B0 Hasta máx.256

H L

Funciones 3 y 4:

Lectura de palabras del autómata. La trama es la indicada en las tablas 2.10 y 2.11.

Obsérvese que la petición indica el número de palabras a leer, mientras que en la respuesta se

indica el número de octetos leídos.

Tabla 2.10. Petición del maestro, PPPP = Dirección de la palabra (hex.).NºEsclavo

03H Dirección1ª Palabra

Nº dePalabras CRC

(00-3FH) 04H PP PP NN NN H L

Tabla 2.11. Respuesta del esclavo, Lectura de palabras (03H, 04H).NºEsclavo

03H Nº Octetosleídos

1erPalabra

Otras PalabrasHasta máx. 128 CRC

(00-3FH) 04H NN NN H L H L, H L, HL,... H L

Función 5:

Escritura de un bit. La trama es la indiada en las tablas 2.12 y 2.13. El

direccionamiento del bit se efectúa tal como se ha indicado para las funciones 1 y 2.

23

Tabla 2.12. Petición del maestro, PPP = Dirección de la palabra (hex.), B= Dirección del bitdentro de la palabra 0 a FH.

NºEsclavo

05HDirecciónBit XXH 00H CRC

(00-3FH) PP PB H L

Tabla 2.13. Respuesta del esclavo, XXH = 00H para bit = 0 y XXH= FFH para bit = 1.NºEsclavo 05H

DirecciónBit XXH 00H CRC

(00-3FH) PP PB H L

Función 6:

Escritura de una palabra. La trama es la indicada en las tablas 2.14 y 2.15.

Tabla 2.14. Petición del maestro.NºEsclavo 06H

DirecciónPalabra

ValorPalabra CRC

(00-3FH) PP PP DD DD H L

Tabla 2.15. Respuesta del esclavo.NºEsclavo 06H

DirecciónPalabra

Nº dePalabras CRC

(00-3FH) PP PP DD DD H L

Función 7:

Petición de lectura rápida de un octeto. La trama es la mostrada en las tablas 2.16 y

2.17.

Obsérvese que la petición no tiene campo de dirección, esto es debido a que el octeto

legible por esta función es fijo en cada esclavo y viene fijado en su configuración.

Tabla 2.16. Petición del maestro.Nº

Esclavo 07H CRC(00-3FH) H L

24

Tabla 2.17. Respuesta del esclavo.Nº

Esclavo 07HValorOcteto CRC

(00-3FH) DD H L

Función 8:

Petición del contenido y control de los 8 primeros contadores de diagnóstico de un

esclavo (véase tabla 2.20). Las tramas de petición y respuesta pueden verse en las tablas 2.18 y

2.19.


Esclavo 08HCódigo

SubfunciónDato

Subfunción CRC(00-3FH) SF0 SF1 D0 D1 H L


Esclavo 08HCódigo

SubfunciónValor

Contador CRC(00-3FH) SF0 SF1 H L H L

Tabla 2.20. Petición del contenido y control de los 8 primeros contadores de diagnóstico de unesclavo.

SubfusiónNº Código

DatosD0 D1 Tarea

0 00H 00H XYH ZTH El esclavo envía el eco XYZT de petición comotest.

3 00H 03H ZZH 00H Modifica el carácter de fin de trama en modoASCII por ZZH

10 00H 0AH 00H 00H Puesta a cero de los contadores11 00H 0BH 00H 00H Lectura del contador 112 00H 0CH 00H 00H Lectura del contador 113 00H 0DH 00H 00H Lectura del contador 114 00H 0EH 00H 00H Lectura del contador 115 00H 0FH 00H 00H Lectura del contador 118 00H 12H 00H 00H Lectura del contador 1

25

Función 11:

La petición del contenido del contador de diagnóstico número 9, no se realiza por la

función 8, sino por la función 11. Las tramas de petición y respuestas son las indicadas por las

tablas 2.21 y 2.22.


Esclavo 0BH CRC(00-3FH) H L


Esclavo 0BH 00 00Valor

Contador CRC(00-3FH) H L H L

Función 15:

Escritura de bits del autómata. La trama es la indicada en las tablas 2.23 y 2.24. La

forma de direccionamiento es análoga a la indicada para las funciones 1 y 2.


Esclavo 0FHDirección

1er BitNº deBits

Nº deOctetos

Valor delos bits CRC

(00-3FH) PP PB NN NN M 8xMvalores

H L


Esclavo 0FHDirección

1er BitNº deBits CRC

(00-3FH) PP PB NN NN H L

Función 16:

Escritura de palabras del autómata. La trama es la indicada en las tablas 2.25 y 2.26.


Esclavo 10FHDirección1ª Palabra

Nº dePalabras

Nº deOctetos

Valor delas palabras CRC

(00-3FH) PP PP NN NN M HL, HL, H L

26


Esclavo 10HDirección1ª Palabra

Nº dePalabras CRC

(00-3FH) PP PP NN NN H L

Mensajes de error:

Puede ocurrir que un mensaje se interrumpa antes de terminar. Cada esclavo interpreta

que el menaje ha terminado si transcurre un tiempo de silencio equivalente a 3,5 caracteres.

Después de este tiempo el esclavo considera que el carácter siguiente es el campo de dirección

de esclavo de un nuevo mensaje.

Cuando un esclavo recibe una trama incompleta o errónea desde el punto de vista

lógico, envía un mensaje de error como respuesta, excepto en el caso de mensajes de difusión.

La trama del mensaje de error es la indicada en la tabla 2.27.


EsclavoCódigoFunción

CódigoError CRC

(00-3FH) H L

Código Función = Código función recibido + 80H

Código Error = 01 Código de Función erróneo:

02 Dirección incorrecta

03 Datos incorrectos

06 Autómata ocupado

Si la estación maestra no recibe respuesta de un esclavo durante un tiempo superior a

un límite establecido, declara el esclavo fuera de servicio, a pesar de que al cabo de un cierto

número de ciclos hace nuevos intentos de conexión.

2.4.4 Nivel de aplicación

Como se ha dicho a nivel general de buses de campo, el nivel de aplicación de

MODBUS no está cubierto por un software estándar, sino que cada fabricante suele

27

suministrar programas para controlar su propia red. No obstante, el nivel de concreción en la

definición de las funciones permite al usuario la confección de software propio para gestionar

cualquier red, incluso con productos de distintos fabricantes.

2.5 SOFTWARE DE APLICACIÓN LABVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un ambiente de

programación gráfico diseñado para desarrollar aplicaciones de: adquisición de datos, el

análisis de datos y control de instrumentos con interfaz hacia un computador personal. Su

código es transportable de un sistema a otro y su programación en una aplicación utiliza los

símbolos gráficos (iconos) para describir el programa de acciones. A los programas de

LabVIEW se les llama instrumentos virtuales (VIs) debido a que su aspecto y operación

imitan a los instrumentos reales. La interfaz de usuario se llama el panel frontal y la

programación se hace a través del denominado diagrama de bloque.

2.5.1 Panel frontal

Se llama panel frontal porque simula el panel frontal de un instrumento físico, este

puede contener perillas, botones, gráficos, y otros controles e indicadores. Los controles se

pueden ajustar usando el mouse o el teclado, y los cambios son indicados en la pantalla del

ordenador. Los controles e indicadores son presentados al usuario mediante la paleta de

control, cada opción de esta paleta presenta una subpaleta que contiene los controles e

indicadores para ser seleccionados y presentados en el panel frontal.

2.5.2 Diagrama de bloques

El diagrama de bloques muestra los componentes internos del programa. Los controles

y los indicadores están conectados con otros operadores y estructuras del programa. Cada

estructura del programa tiene un símbolo y cada tipo de los datos (número entero, booleano,

etc.) tiene un color.

CAPÍTULO III

DESCRIPCIÓN DE CIRCUITOS

ACONDICIONADORES DE SEÑAL Y

PROGRAMACIÓN

En la figura 3.1 se muestra el diagrama de bloques general del proceso de supervición

como respuesta a la problemática planteada en este estudio.

Figura 3.1. Diagrama de bloques general del proceso de supervisión.

Para supervisar las variables eléctricas del laboratorio de circuitos y medidas y

electrónica de la facultad de ingeniería eléctrica es necesario captar las señales a supervisar,

acondicionarlas de tal manera que sea posible manejarlas con un microcontrolador y que

cumpla también con los requerimientos necesarios para ser adquiridas por el computador y así

ser procesadas por aluna interfaz gráfica, en la figura 3.2 se muestra el diagrama de bloques

correspondiente a este proceso. En este capítulo se mostraran a detalle cada uno de los

circuitos que hacen posible estas tareas.

29

Figura 3.2. Diagrama de bloques del manejo de variables para la realización delmonitoreo de estas en el laboratorio.

3.1 CAPTACIÓN DE LAS SEÑALES DE TENSIÓN

El laboratorio de circuitos y medidas y electrónica de la facultad de ingeniería eléctrica

es alimentado a través de un subtablero de control el cual proporciona tres fases cada una con

una onda senoidal de 120 V en valor eficaz, el primer paso para la captación de esta señal será

la utilización de un transformador de tensión (MIYAKO LP-421) por cada fase, el cual no sólo

actuará como sensor para la adquisición de cada una de las señales sino que a su vez entregará

un valor reducido de la señal medida.

Figura 3.3 Diagrama de flujo de la captación y acondicionamiento de las señales detensión.

30

Figura 3.4 Transformador de tensión MIYAKO LP-421.

La figura 3.4 muestra cual es la respuesta entregada por el transformador de tensión,

ahora, para proteger los circuitos y poder entregar una alerta cuando el voltaje en alguna de las

fases sobrepase un valor eficaz umbral de 120 V, tomaremos como valor eficaz máximo los

130 V los cuales corresponden a una onda senoidal de 183.848 V en valor pico, para este

valor, el trasformador de tensión nos entregará una onda equivalente de 10.66 V en valor pico

pico. El valor máximo aceptado por el microcontrolador a utilizar posteriormente es 5 V, por

lo cual se realizará un divisor de tensión a la salida de cada transformador de tensión.

1000

3264

Salida delTransformadorde tensión

SeñalReducida

Figura 3.5 Divisor de tensión.

El microcontrolador no acepta valores negativos en sus entradas analógicas por lo tanto

es necesario diseñar un circuito para desplazar esta señal saliente del divisor de tensión un

valor de offset de 2.5 V, de esta manera tendremos una onda senoidal de 5 V en valor pico

centrada en 2.5 V equivalente a una onda senoidal de 130 V en valor eficaz centrada en cero

entregada por la red al tablero de control del laboratorio de circuitos y medidas y electrónica

de la escuela de ingeniería eléctrica.

31

3

21

411

R

R

R

R

12V

SeñalReducida

2.5V DC

Figura 3.6 Sumador de offset para señales reducidas de tensión.

Figura 3.7 Diseño del acondicionador de señales de tensón.

32

En la figura 3.7 se muestra el diseño realizado para la implementación de la tarjeta de

adquisición y acondicionamiento de las señales de tensión que alimentan el laboratorio de

circuitos y medidas y electrónica de la escuela de ingeniería eléctrica.

3.2 CAPTACIÓN DE LAS SEÑALES DE CORRIENTE

El subtablero de control del laboratorio de circuitos y medidas y electrónica de la

facultad de ingeniería eléctrica contiene tres fases cada una de las cuales está en capacidad de

soportar 50 A en valor eficaz, el primer paso para la captación de estas señales será la

utilización de un multimetro (266 CLAMP METER) modificado de tal manera que sólo

utilicemos de él su pinza amperimétrica como transformador de corriente, este dispositivo es

capaz de entregar una onda senoidal de tensión equivalente a la corriente que circula a través

de su pinza amperimétrica, a continuación se mostrara la curva de reacción de los multimetros

utilizados para la captación de las corrientes en cada una de las fases.

Figura 3.8 Diagrama de flujo de la captación y acondicionamiento de las señales decorriente.

Los valores obtenidos para levantar las curvas fueron adquiridos en el laboratorio de

máquinas eléctricas de la universidad de los andes, donde se conectaron las pinzas

33

amperimétricas a la alimentación de un motor de corriente alterna, al ir variando la tensión de

alimentación del motor, fue variando la corriente que este consumía (corriente de armadura),

los valores fueron obtenidos y comparados con un multimetro digital (TEKTRONIX DMM

912), los errores de deriva, offset e histéresis no se calcularon debido a la linealidad

presentada por las pinzas amperimétricas.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60

Corriente que circula por la pinzaamperimétrica (A)

Vol

taje

ent

rreg

ado

(mV

)

Figura 3.9 Curva de reacción de las pinzas amperimétricas utilizadas para la captaciónde las corrientes en cada una de las fases.

Como se observa en la figura 3.9 el voltaje máximo entregado por la pinza

amperimétrica para el valor umbral de corriente considerado (52.7 A en valor aficaz) es 100

mV en valor pico, para acondicionar este valor de tal forma que sea aceptado por el

microcontrolador a utilizar posteriormente, es necesario diseñar un circuito capaz de

amplificar la onda senoidal de 200 mV en valores pico pico, a una onda senoidal de 5 V en

valores pico pico, y además desplazar esta onda un valor offset de 2.5 V ya que las entradas

analógicas del microcontrolador (canal por el cual serán ingresados los datos) no acepta

valores negativos y de esta manera estaremos introduciendo una onda senoidal centrada en 2.5

V con valores mínimos de cero y máximos de 5 V proporcional a la onda de 50 A en valor

eficaz que circulará a través de la pinza amperimétrica.

34

3

21

411

U ? :AL M 3 2 4

1 0 0 0 9 M

2 6 0 0

9 M

5 V

S e ñ a ld eC o r r ie n te

Figura 3.10 Amplificador de la señal saliente de la pinza amperimétrica.

3

21

411

U?:ALM324R

9M

R

9M

R

2.5 V DC

R

9M

12 V

SeñalAmplificada

Figura 3.11 Sumador de offset para señales amplificadas de corriente.

La figura 3.12 muestra el diseño realizado para la implementación de la tarjeta de

adquisición y acondicionamiento de las señales de corriente que alimentan el laboratorio de

circuitos y medidas y electrónica de la escuela de ingeniería eléctrica.

35

Figura 3.12 Diseño del acondicionador de señales de corriente.

3.3 OBTENCIÓN DE LA POTENCIA ACTIVA POR FASE

Para realizar el cálculo de la potencia activa consumida por fase por el laboratorio de

circuitos y medidas y electrónica de la escuela de ingeniería eléctrica de la universidad de los

andes fue imprescindible guiarnos por el método multiplicación de oscilaciones seonidales de

la misma frecuencia (sugerido por el profesor Otto Liman en su libro Fundamentos de Radio),

donde se demuestra que al multiplicar una onda senoidal correspondiente a la tensión de un

sistema por otra onda senoidal correspondiente a la corriente consumida por el mismo sistema,

36

el valor promedio de la oda resultante equivaldrá a la potencia activa consumida por el

sistema.

Figura 3.13 Diagrama de flujo de la obtención y acondicionamiento de la potencia activapor fase.

El primer paso para la obtención de la potencia activa consumida por fase será la

utilización de un multiplicador análogo de precisión (MPY634KP) para cada una de las fases

del laboratorio, el cual es capaz de realizar la multiplicación de dos ondas senoidales y

entregar una onda senoidal resultante (dividida entre 10) en tiempo real. Al tener esta onda

será necesario realizar un proceso de filtrado (circuito filtro paso bajo) para así obtener el

promedio de la onda senoidal resultante, el cual será equivalente a la potencia activa

consumida por cada una de las fases del laboratorio.

37

120 V

50 A

+12v

-12v

X11

X22

Y13

Y24

VS+ 8

W 7

Z 6

VS- 5

U2

MPY634KP C3300u

R1k

Señalde Voltaje

Señalde Corriente

Potencia

Figura 3.14 Circuito para la obtención de potencia activa.

Figura 3.15 Equivalentes a los valores máximos de tensión (canal A) y corriente (canal B),entrantes al circuito multiplicador.

Figura 3.16 Onda resultante a la multiplicación (canal A) y promedio de la ondamultiplicada (canal B), equivalente a la máxima potencia activa consumida por el laboratorio.

38

En la figura 3.14 se muestra la configuración mediante la cual utilizamos el

dispositivo MPY634KP para obtener la multiplicación de las ondas equivalentes a la tensión y

corriente consumidas por el laboratorio, la cual unida al filtro paso bajo conectado a la salida

del multiplicador nos permite obtener un equivalente a la potencia activa consumida. En la

figura 3.15 se muestran los equivalentes a los valores máximos de tensión (canal A) y

corriente (canal B) acondicionados previamente, para así obtener en la figura 3.16 la onda

resultante de la multiplicación dividida entre 10 (canal A) a la salida del dispositivo

MPY634KP y el promedio de dicha onda a la salida del filtro paso bajo (canal B) el cual

corresponde al equivalente de la máxima potencia activa consumida por el laboratorio. Como

se puede observar el valor máximo de potencia que entrega el circuito es 1 V, de manera que,

para que la interfaz gráfica maneje más detalladamente los valores de potencia activa

consumida por fase será necesario acondicionar esta señal para que cuando la potencia activa

consumida por fase por el laboratorio sea máxima, el valor que entre al microcontrolador a

utilizar sea de 5 V, esto se hará a través de un circuito amplificador de señal.

3

21

411

U ?:A

LM 324

510

9M

2000

9M

12 V

Señal Salien tedel FiltroP aso B ajo

Figura 3.17 circuito amplificador de la potencia activa.

A la salida del circuito de la figura 3.17 se obtendrá un equivalente de 5 V cuando la

potencia consumida por el laboratorio sea máxima, de esta manera el acondicionamiento de las

señales entrantes al microcontrolador (Tensión pico, Corriente pico, Potencia activa) estaría

completo.

39

Figura 3.18 diseño del acondicionador de señales de potencia activa.


adquisición y acondicionamiento de las señales de potencia activa que consume el laboratorio

de circuitos y medidas y electrónica de la escuela de ingeniería eléctrica.

40

Figura 3.19 Diagrama de circuito impreso de la tarjeta acondicionadora de señales depotencia activa, cara de componentes.

Figura 3.20 Diagrama de circuito impreso de la tarjeta acondicionadora de señales depotencia activa, cara de pistas y componentes de montaje superficial, visto desde arriba de la

tarjeta.

3.4 PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR

Realizado el proceso descrito anteriormente, tenemos entonces acondicionas las señales

de tensión, corriente y potencia activa por fases, estas señales entrarán al microcontrolador

(Microchip PIC18F4455) el cual posee 13 entradas analógicas, lo cual será de indispensable

41

utilidad debido a que al monitorear 3 fases del laboratorio, con 3 variables en cada una de

ellas, tenemos como resultado 9 señales analógicas para realizar el estudio.

Figura 3.21 Diagrama de flujo del esquema general para la programación delmicrocontrolador.

La programación del microcontrolador se hará a través del software CCS

COMPILER el cual contiene una extensa biblioteca de rutinas y útiles listos para ejecutar

programas de ejemplo para los periféricos de hardware, una de las herramientas utilizadas de

este software es el WIZARD, este comando sacará a colación un número de formas a llenar en

blanco sobre su nuevo proyecto, las características de la entrada salida del RS232, opciones

del contador de tiempo, interrupciones usadas, opciones del convertidor analógico digital y los

nombres de perno todos se pueden especificar en las formas. Después de todas las selecciones

se hace la inicial .C, los archivos de .H, y de .PJT se crean con #defines, #includes y comandos

de la inicialización requeridos para su proyecto. Esto es una manera rápida de comenzar un

nuevo proyecto; una vez que se crean los archivos no se puede volver a los menús para

realizar otros cambios.

42

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-/CVREF4

RA3/AN3/VREF+5

RA4/T0CKI/C1OUT/RCV6

RA5/AN4/SS/LVDIN/C2OUT7

RA6/OSC2/CLKO14

OSC1/CLKI13

RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA33

RB1/AN10/INT1/SCK/SCL34

RB2/AN8/INT2/VMO35

RB3/AN9/CCP2/VPO36

RB4/AN11/KBI0/CSSPP37

RB5/KBI1/PGM38

RB6/KBI2/PGC39

RB7/KBI3/PGD40

RC0/T1OSO/T1CKI 15

RC1/T1OSI/CCP2/UOE 16

RC2/CCP1/P1A 17

VUSB18

RC4/D-/VM 23

RC5/D+/VP 24

RC6/TX/CK 25

RC7/RX/DT/SDO 26

RD0/SPP0 19

RD1/SPP1 20

RD2/SPP2 21

RD3/SPP3 22

RD4/SPP4 27

RD5/SPP5/P1B 28

RD6/SPP6/P1C 29

RD7/SPP7/P1D 30

RE0/AN5/CK1SPP 8

RE1/AN6/CK2SPP 9

RE2/AN7/OESPP 10

RE3/MCLR/VPP 1

U1

PIC18F4455

V1I1

P1V2

I2

P2

V3I3

P3

RXTX

Figura 3.22 Configuración de las entradas analógicas y salidas digitales delmicrocontrolador a utilizar.

Figura 3.23 Configuración del wizard para la programación del microcontrolador.

43

Figura 3.24 Inicialización del proyecto entregada por el wizard.

Las figuras 3.23 y 3.24 muestran consecutivamente la plantilla del comando

wizard a llenar y la respuesta de este luego de haber completado el llenado de la plantilla, el

cual representa el inicio de nuestro programa a realizar, aquí se observa entre otras cosas como

se definió los protocolos de comunicación a utilizar (RS232, MODBUS).

En la figura 3.24 se muestra como se definieron los parámetros del protocolo de

comunicación MODBUS así como también la inclusión en nuestro programa de la librería

“ex_modbus.c” , al hacer esto nuestro programa ya es capaz de reconocer y utilizar el

protocolo para interactuar con otros microcontroladores, en este estudio se utiliza al

microcontrolador de la tarjeta de adquisición de datos como maestro, el cual hará un

intercambio punto a punto de la información con el esclavo definido en la dirección 0xF7

(representado con el computador).

44

Figura 3.25 Comando utilizado para la transmisión de datos.

El protocolo de comunicación MODBUS proporciona diversas herramientas para leer o

enviar entradas de registros, llamadas, registros en espera, entradas de datos y otros, cada uno

de los cales puede hacerse también de manera grupal una vez que se tenga un cúmulo de

información o en forma individual a medida que se va generando la información, en la figura

3.25 se muestra el comando utilizado en este estudio para enviar la información de la tarjeta de

adquisición de datos hasta el computador (write_reg, escribiendo registros simples); lo cual

indica que una vez que se haya manipulado las señales entrantes y obtenido el resultado

esperado, se hace un llamado a esta función y de esta manera el protocolo de comunicación

MODBUS envía la información al esclavo.

3.4.1 programación para la obtención del voltaje pico

Figura 3.26 Diagrama de flujo de la programación para la obtención del tensión pico.

45

Figura 3.27 Programación para la obtención del tensión pico en la fase 1.

En las figuras 3.26 y 3.27 se muestran el diagrama de flujo y la programación

realizada para la obtención del valor de voltaje pico en la primera fase de alimentación del

laboratorio, la cual consiste en:

Activar la interrupción INT_RTCC.

Limpiar el canal cero (canal correspondiente al pin 2, por el cual entra la señal de

voltaje pico de la primera fase, acondicionada).

Limpiar el valor almacenado en la variable voltaje_pico1.

Leer el valor del canal cero.

Si el valor leído es mayor al valor almacenado en la variable voltaje_pico1, entonces

guardar este valor en la variable.

Repetir este procedimiento durante 20 ms, este tiempo se considera prudencial ya que

se estará trabajando con señales de 60 Hz.

46

Desactivar la interrupción INT_RTCC.

Convertir el valor de la variable voltaje_pico1 a un valor de 16 bits y guardarlo en la

variable voltaje_pico1_ent.

De esta manera el valor almacenado y listo para ser enviado al computador será

el valor de mayor amplitud (valor pico) de la onda senoidal correspondiente a la señal de

tensión de alimentación del laboratorio en la fase uno.

Un procedimiento similar a este se lleva a cabo para obtener el voltaje pico en las

fases 2 y 3 del laboratorio, sólo difieren en el canal a utilizar y en las variables definidas, canal

3 correspondiente al pin 5 para el voltaje pico en la fase dos (voltaje_pico2, voltaje_pico2_ent)

y canal 6 correspondiente al pin 9 para el voltaje pico en la fase tres (voltaje_pico3,

voltaje_pico3_ent).

3.4.2 Programación para la obtención de la corriente pico

Inicializar loscotadores

ActivarINT_RTCC

Limpiar canaluno

Esperar20µs

Inicializarcorriente_pico1=0

Mili_s < 20Leer canal uno y

almacenar encorriente

Corriente > corriente_pico1

DesactivarINT_RTCC

Voltaje_pico1 = voltajecorriente_pico1_ent = (int16) corriente_pico1

SI

NO

SI

NO

Figura 3.28 Diagrama de flujo de la programación para la obtención de la corriente pico.

En las figuras 3.28 y 3.29 se muestran el diagrama de flujo y la programación realizada para la

obtención del valor de corriente pico en la primera fase de alimentación del laboratorio, la cual

consiste en:

Activar la interrupción INT_RTCC.

47

Limpiar el canal uno (canal correspondiente al pin 3, por el cual entra la señal de

corriente pico de la primera fase, acondicionada).

Limpiar el valor almacenado en la variable corriente_pico1.

Leer el valor del canal uno.

Si el valor leído es mayor al valor almacenado en la variable corriente_pico1, entonces

guardar este valor en la variable.

Repetir este procedimiento durante 20 ms, este tiempo se considera prudencial ya que

se estará trabajando con señales de 60 Hz.

Desactivar la interrupción INT_RTCC.

Convertir el valor de la variable corriente_pico1 a un valor de 16 bits y guardarlo en la

variable corriente_pico1_ent.

Figura 3.29 Programación para la obtención de la corriente pico en la fase 1.

48

De esta manera el valor almacenado y listo para ser enviado al computador será

el valor de mayor amplitud (valor pico) de la onda senoidal correspondiente a la señal de

corriente de alimentación del laboratorio en la fase uno.

Un procedimiento similar a este se lleva a cabo para obtener la corriente pico en

las fases 2 y 3 del laboratorio, sólo difieren en el canal a utilizar y en las variables definidas,

canal 4 correspondiente al pin 7 para la corriente pico en la fase dos (corriente_pico2,

corriente_pico2_ent) y canal 7 correspondiente al pin 10 para la corriente pico en la fase tres

(corriente_pico3, corriente_pico3_ent).

3.4.3 Programación para determinar el desfasaje entre la corriente y la tensión

Una de las variables propuestas en este estudio es el factor de potencia en cada una de

las fases que alimentan el laboratorio de circuitos y medidas y electrónica de la escuela de

ingeniería eléctrica de la universidad de los andes, para un mejor estudio es imprescindible

saber si estos factores de potencia están en adelanto o atraso.

Figura 3.30 Diagrama de flujo de la programación para determinar el desfasaje entre lacorriente y la tensión.

49

Figura 3.31 programación para determinar el desfasaje entre corriente y la tensión en lafase 1.

Las figuras 3.30 y 3.31 muestran el diagrama de flujo y la programación

realizada para determinar el adelanto o atraso entre la corriente y la tensión en la fase uno, la

cual consiste en (inicializando previamente la variable calculo_adelanto_atraso en 1):

Limpiar el canal cero, correspondiente al voltaje pico en la fase uno.

Inicializar la variable bandera_adelanto_atraso en cero.

Mientras la variable calculo_adelanto_atraso sea igual a 1:

1. leer el canal cero y guardar este valor en la variable voltaje_ent1.

50

2. si la variable bandera_adelanto_atraso es igual a cero y el valor de la variable

voltaje_ent1 es menor a 512, le damos a la variable bandera_adelanto_atraso el valor

de 1.

3. si la variable bandera_adelanto_atraso es igual a 1 y el valor de la variable

voltaje_ent1 es mayor a 512, le damos a la variable bandera_adelanto_atraso el valor

de 2, limpiamos el canal 1 (correspondiente a la señal de corriente en la fase uno),

esperamos 20 ms, leemos el valor del canal uno y lo guardamos en la variable

corriente_ent1.

El microcontrolador adquiere las señales que hemos dispuesto para que entren

por sus canales analógicos, a través de un convertidor analógico digital procesa los valores

adquiridos como datos digitales entre 0 y 1023 bits correspondientes a 0 y 5 V de nuestras

señales acondicionadas, como a dichas señales parte de su acondicionamiento fue el

desplazarlas 2.5 V, valor que corresponde a 512 bits dentro del microcontrolador, notamos

entonces que en este momento de la programación la señal correspondiente a la onda senoidal

de tensión en la fase uno acaba de cruzar por cero.


corriente_ent1 es menor a 512, le damos a la variable adelanto_1_1 el valor de 1, lo

cual corresponde a que el voltaje adelanta a la corriente en la fase uno.


corriente_ent1 es mayor a 512, le damos a la variable adelanto_1_1 el valor de 0, lo

cual corresponde a que la corriente adelanta al voltaje en la fase uno; limpiamos el

canal cero y le colocamos el valor 0 a la variable bandera_adelanto_atraso.

6. le colocamos el valor 0 a la variable calculo_adelanto_atraso.

De esta manera tenemos almacenado y listo para ser enviado al computador una

variable que sólo toma valores entre 0 y 1 para indicarle a la interfaz gráfica cual es la

posición del factor de potencia en la fase uno del laboratorio.

51

Un procedimiento similar a este se lleva a cabo para determinar el adelanto o

atraso entre la corriente y la tensión en las fases dos y tres del laboratorio, sólo difieren en los

canales a utilizar y en las variables definidas, canales 3 y 4 correspondientes a los pines 5 y 7

para el voltaje pico y la corriente pico en la fase dos (voltaje_ent2, corriente_ent2,

adelanto_2_2) y canales 6 y 7 correspondiente a los pines 9 y 10 para el voltaje pico y la

corriente pico en la fase tres (voltaje_ent3, corriente_ent3, adelanto_3_3).

3.4.4 Programación para adquirir el valor de potencia activa

La potencia activa por fase ya ha sido determinada en este estudio, por lo tanto vamos

a utilizar el microcontrolador como canal para que sea viable llevar el valor de potencia activa

hasta el computador y ser procesado por la interfaz gráfica.

Figura 3.32 Diagrama de flujo de la programación para adquirir el valor de potencia activa en laprimera fase.

52

Figura 3.33 Programación para adquirir el valor de potencia activa en la primera fase.

En la figura 3.33 se muestra la programación realizada para la adquisición del

valor de potencia activa consumida por la primera fase del laboratorio, la cual consiste en:

Inicializar las variables estado_periodo y bandera_onda_volt en cero.

Mientras la variable estado_periodo sea igual a cero:

1. le damos valor 1 a la variable bandera_onda_volt.

2. le damos valor 1 a la variable estado_periodo.

3. limpiamos el canal 2, correspondiente al pin 4 del microcontrolador.

4. esperamos 20 µs.

5. leemos el canal 2, lectura correspondiente al valor de potencia activa consumida por la

fase uno y almacenamos este valor en la variable potencia1.

6. esperamos 500 ms y le damos a la variable bandera_onda_volt el valor de cero.

De esta manera tenemos almacenado y listo para ser enviado al computador el

valor de la potencia activa consumida por la fase uno del laboratorio.

53

Un procedimiento similar a este se lleva a cabo para la adquisición del valor de

potencia activa consumida por las fases dos y tres del laboratorio, sólo difieren en los canales

a utilizar y en las variables definidas, canal 5 correspondientes al pin 8 para la potencia activa

consumida por la fase dos (potencia2) y canal 8 correspondiente al pin 35 para la potencia

activa consumida por la fase tres (potencia3).

3.4.5 Programación para el envío de datos

Una vez obtenidos todos los datos necesarios para este estudio, procederemos a

enviarlos al computador, la figura 3.34 muestra el procedimiento de llamadas a la función

write_reg del protocolo de comunicación MODBUS.

Figura 3.34 Programación para enviar los datos al computador.

La función write_reg asigna una posición única a cada variable para

posteriormente enviársela al esclavo, y de esta manera sin importar el orden en que empiece a

54

enviar los datos, el esclavo entenderá debido a la posición que le fue impuesta a la variable, a

que valor corresponde, esto consiste en:

Si el valor de la variable estado_periodo es igual a 1.

1. convertir a hexagecimal el valor de la variable voltaje_pico1_ent.

2. imprimir este valor.

3. llamar a la función write_reg para que imprima el valor a través del protocolo de

comunicación MODBUS, asignándole a esta variable la posición cero.

4. esperar 300 milisegundos.

Este procedimiento se repite para todas las variables adquiridas, asignándoles las

posiciones desde la 0 para la variable voltaje_pico1_ent sucesivamente hasta la posición 11

para la variable potencia3.

La asignamos el valor 0 a la variable estado_periodo.

La asignamos el valor 1 a la variable calculo_adelanto_atraso.

De esta manera se completa el proceso y comienza nuevamente.

Figura 3.35 Diseño del acondicionador del microcontrolador.

55


adquisición y acondicionamiento de las señales entrantes y salientes del microcontrolador, este

diseño unido al de las tarjetas acondicionadoras de señales de tensión y corrientes serán unidas

en una sola tarjeta, a continuación se muestran en las figuras 3..36 y 3.37 los diseños de los

diagramas de circuitos impresos implementados.

Figura 3.36 Diagrama de circuito impreso de la tarjeta acondicionadora de señales de tensión,señales de corriente y microcontrolador, cara de componentes.

56

Figura 3.37 Diagrama de circuito impreso de la tarjeta acondicionadora de señales de tensión,señales de corriente y microcontrolador, cara de pistas y componentes de montaje superficial,

visto desde arriba de la tarjeta.

57

3.4.6 Fuente de alimentación

Figura 3.38 diseño de la fuente de tensión alimentadora de las tarjetas de adquisición dedatos.

A BFigura 3.39 Diagrama de circuito impreso de la fuente de tensión alimentadora de las tarjetas de

adquisición de datos, (A) cara de componentes, (B) cara de pistas y componentes de montajesuperficial, visto desde arriba de la tarjeta.

58

La figura 3.38 muestra el diseño realizado para la implementación de la fuente de

alimentación, también se muestra en la figura 3.39 los diseños de los diagramas de circuitos

impresos implementados.

Para desarrollar todos los diseños de las tarjetas a utilizar en este estudio se utilizó el

programa Eagle de la empresa Cadsoft el cual no realiza simulaciones de circuitos, sólo es

utilizado para el diseño de PCBs (Printed Circuit Board), al diseñar las tarjetas se tomo en

cuenta las consideraciones expuestas en el articulo llamado Técnicas de diseño, desarrollo y

montaje de circuitos impresos (Salas P. Robert, Pérez A. José, Ramírez Jimer, 2008). La

técnica utilizada para la fabricación de estas tarjetas fue la elaboración de PCBs mediante

ataque químico.

CAPÍTULO IV

INTERFAZ GRÁFICA

El desarrollo de una interfaz gráfica en un ambiente amigable para el monitoreo

de las variables eléctricas del laboratorio de circuitos y medidas y electrónica de la escuela de

ingeniería eléctrica de la universidad de los andes será realizado utilizando el ambiente de

programación gráfico LabView, este posee un panel frontal y un diagrama de bloques los

cuales a su vez contienen las paletas de control y de funciones respectivamente, estas paletas

suministran al usuario las herramientas necesarias para diseñar la interfaz gráfica; dichas

herramientas (controles, arreglos, indicadores, formulas matemáticas…) vienen presentadas

en una librería muy extensa, a continuación se mostrarán los iconos con de las funciones y VIs

(instrumentos virtuales) seleccionadas por el autor para este estudio.

4.1 FUNCIONES Y VIs DE LA PALETA DE FUNCIONES

MB Serial Init.vi, inicializa el puerto serial especificado a través del protocolo de

comunicación Modbus, para determinar el caso polimórfico a utilizar se deben configurar sus

siguientes entradas:

Mode, selecciona el número de bits de datos que el puerto serial utiliza, las opciones

son:

1. RTU, los datos se representan en el formato binario (8 bits de datos).

2. ASCII, los datos se representan en el ASCII, así que son legibles (7 bits de

datos).

60

ISA resource name, especifica el puerto serial que se abrirá.

Baud Rate, es el índice de transmisión.

Parity, especifica la paridad usada para que cada marco sea transmitido o recibido.

Error in, describe las condiciones de error que ocurren antes de que empiece a

funcionar este VI.

Timeout, específica el plazo máximo, en milisegundos, que esperas este VI para la

respuesta del esclavo antes de lanzar un error.

VISA resource name out, este recurso funciona como nexo para comunicar una nueva

sesión y su clase.

Error out, contiene la información de error. si el error adentro indica que ocurrió un

error antes de que este VI funcionara, el error hacia fuera contiene la misma

información de error, sino, describe el estado de error que este VI produce.

MB Serial Slave Demon.vi, explora constantemente el puerto serial para los comandos

del amo. Cuando detecta un comando del amo, pone al día las tablas de memoria con datos y

también responde a la pregunta del amo para los datos, las entradas de este VI deben coincidir

con las del MB Serial Init.vi, si embargo contiene algunas entradas propias las cuales deben

ser configuradas para determinar el caso polimórfico a utilizar.

Serial Port Setup, se requiere para configurar el puerto serial en el sistema terminal

remoto.

Slave Address, representa la dirección del esclavo en la red de MODBUS. Los amos

utilizan esta dirección para comunicar con el esclavo correcto.

Period, representa la duración de un ciclo de MODBUS, o cuantas veces el esclavo

explora los puertos seriales.

61

MB Slave Init (poly).vi, inicializa las órdenes de 16 bits (para los registros de

tenencia) y las órdenes boleanas (para las bobinas y las entradas discretas).

Holding Registers, representan un arsenal vacío para almacenar los registros de

tenencia.

Coils, representan un arsenal vacío para almacenar las bobinas y entradas discretas.

MB Slave Read All Holding Registers, lee todos los registros de

tenencia de la tabla de memoria del esclavo, a su salida representa la tabla entera usada para

almacenar los registros de tenencia

SMTP Email Send Message, Envía un correo electrónico del texto a una lista de

recipientes, para determinar el caso polimórfico a utilizar se deben configurar sus siguientes

entradas:

Return Address, es la dirección de correo electrónico del remitente del mensaje.

Mail Server, es el nombre o la dirección IP de un servidor válido del SMTP.

Recipients, son el arsenal de secuencias que contiene las direcciones de correos

electrónicos de los destinatarios del mensaje.

Subject, es el título del mensaje a enviar.

Message, es el mensaje de texto a enviar.

Global Variable, se utiliza para tener acceso y para pasar los datos entre

varios VIs

62

Case Structure, tiene uno o más subdiagramas, o casos, que se ejecutan cuando la

estructura que los controla les arroja un valor boleano verdadero o falso.

Event Structure, tiene uno o más subdiagramas, o casos del acontecimiento,

exactamente uno cuyo ejecuta cuando la estructura ejecuta. La estructura del acontecimiento

espera hasta que suceda un acontecimiento, después ejecuta el caso apropiado para manejar

ese acontecimiento.

Flat Sequence Structure, consiste en uno o más subdiagramas que se ejecutan

secuencialmente.

Stacked Sequence Structure, consiste en uno o más subdiagramas, o los marcos, que

ejecutan secuencialmente, se utiliza para asegurarse que un subdiagrama ejecuta antes o

después de otro subdiagrama.

While Loop, Repite el subdiagrama que esté adentro de la estructura el número

de iteraciones especificado (el defecto es uno) hasta que sea habilitado el terminal condicional.

Property Node, se adapta automáticamente a la clase del objeto a que usted se

refiere, Labview incluye los nodos de la característica preconfigurados para tener acceso a

características de la VISA, a características de .NET, y a las características de ActiveX.

Build Array, concatena órdenes múltiples o añade elementos a un arreglo dimensional de

n.

63

Bundle, monta un grupo de elementos individuales, también se puede utilizar esta

función para cambiar los valores de elementos individuales en un grupo existente sin tener que

especificar los nuevos valores para todos los elementos.

Cluster to Array, convierte un grupo de elementos del mismo tipo de datos a un arreglo

(de una dimensión) de elementos del mismo tipo de datos.

Array to Cluster, convierte un arreglo de una dimensión a un grupo de elementos del

mismo tipo que los elementos del arreglo.

Unbundle, divide un grupo en cada uno de sus elementos individuales.

Concatenate Strings, Concatena secuencias de la entrada y las órdenes de una dimensión

de secuencias en una secuencia de salida única.

Append True/False String, Selecciona una secuencia falsa o verdadera según un selector

boleano y añade esa secuencia para encadenarla al texto predeterminado.

Open/Create/Replace File, abre un archivo existente, crea un nuevo archivo, o substituye

un archivo existente, para determinar el caso polimórfico a utilizar se deben configurar sus

siguientes entradas:

File path, es el camino absoluto al archivo.

Operation, es la operación a realizarse.

Access, especifica como usted planea tener acceso al archivo. El defecto es de

lectura/grabación.

Refnum out, es el número de referencia del archivo abierto.

VISA Close, cierra un objeto de la sesión o del acontecimiento del dispositivo

especificado.

64

Write to Text File, escribe una secuencia de caracteres o de un arreglo de secuencias

como líneas a un archivo, para determinar el caso polimórfico a utilizar se deben configurar

sus siguientes entradas:

File, puede ser una trayectoria del refnum o del fichero absoluto.

Text, es los datos que la función escribe al archivo, el texto es una secuencia o un

arreglo de secuencias; esta función añade siempre caracteres de end-of-line.

Format Date/Time String, muestra un valor del grupo fecha/hora o un valor numérico

como tiempo en el formato que se especifica, para determinar el caso polimórfico a utilizar se

deben configurar sus siguientes entradas:

Time format string, específica el formato de la secuencia de la salida.

date/time string, es la secuencia que contiene el formato de la fecha/hora

Merge Errors, combina grupos de la entrada-salida del error de diversas funciones.

Simple Error Handler, indica si ocurrió un error, entrega una descripción del error y

exhibe opcionalmente una caja de diálogo.

Equal, entrega un valor boleano verdadero si las entradas son iguales, sino, entrega falso;

se puede cambiar el modo de la comparación de esta función.

Not, Computa la negación lógica de la entrada; si la entrada es falsa, la función entrega

verdadero; si la entrada es verdadera, la función entrega falso.

Multiply, entrega el producto de las entradas.

Divide, entrega el cociente de las entradas.

Add, entrega la suma de las entradas.

65

Subtract, entrega la diferencia de las entradas.

Greater Or Equal, entrega un valor boleano verdadero si la primera entrada es mayor o

igual a la segunda entrada, sino, entrega un falso.

Less Or Equal, entrega un valor boleano verdadero si la primera entrada es menor o igual a

la segunda entrada, sino, entrega un falso.

Compound Arithmetic, realiza operaciones aritméticas en uno o más casos numéricos, de

arreglos, grupos, o entradas boleanas; las operaciones a realizar son agregar, multiplicarse, Y,

O, o XOR.

Compuerta Or, ambas entradas deben ser valores boleanos o numéricos; si ambas

entradas son falsas, la función entrega un valor boleano falso; sino, entrega un verdadero.

Less, entrega un valor boleano verdadero si la primera entrada es menor a la segunda

entrada, sino, entrega un falso.

Greate, entrega un valor boleano verdadero si la primera entrada es mayor a la segunda

entrada, sino, entrega un falso.

Not Equal, entrega un valor boleano verdadero si las entradas no son iguales, sino, entrega

falso; se puede cambiar el modo de la comparación de esta función.

Select, entrega el valor atado con alambre a la entrada de T o a la entrada de F,

dependiendo del valor del S, si S es verdadero, entrega el valor a T, si S es falso, entrega el

valor a F.

Equal To 0, entrega un valor boleano verdadero si la entrada es igual a 0; sino, esta

función entrega un valor boleano falso.

Not Equal To 0, entrega un valor boleano verdadero si la entrada no es igual a 0; sino, esta

función entrega un valor boleano falso.

66

Feedback Node, almacena un valor de datos a partir de un VI o la ejecución del lazo al

siguiente.

Number To Decimal String, convierte números a cadenas de caracteres decimales, si el

número es flotante o de punto fijo, se redondea a un número entero 64 bits antes de la

conversión.

Number to Hexadecimal String, convierte números a cadenas de caracteres

exadecimales, si el número es flotante o de punto fijo, se redondea a un número entero 64 bits

antes de la conversión.

Decimal String to Number, convierte cadenas de caracteres a números.

4.2 CONFIGURACIÓN DE PUERTO SERIAL

La figura 4.1 muestra los pasos necesarios a seguir en la programación del diagrama de

bloques para configuración del puerto serial.

1. Se utiliza el MB Slave Init para inicializar las órdenes de 16 bits (para los registros de

tenencia), de esta manera, a medida que las tarjetas de adquisición de datos comiencen

a obtener valores y a enviarlos al computador, el programa podrá recibir estos valores

en sus respectivas posiciones para la manipulación de las variables.

2. Dentro del subdiagrama Flat Sequence Structure se utiliza un Global Variable para

darle inicio al instrumento virtual MB Serial Slave Demon.

A. Entrega a posteriores subdiagramas cualquier error que pueda ocurrir en los pasos 1 y

2.

67

3. Se utiliza el MB Serial Init para inicializar el puerto serial COM1 a través del protocolo

de comunicación Modbus, para que trabaje a 9600 bps, en un período máximo de

10000 segundos, sin control de flujo ni paridad y que reciba los datos en el modo RTU.

Figura 4.1 Diagrama de bloques de la configuración del puerto serial e inicio delprograma.

4. Dentro de la estructura While Loop se utiliza el MB Serial Slave Demon para que

explore constantemente en el puerto serial COM1 los comandos que envía el amo y

ponga al día las tablas de memoria de los registros de tenencia a un período de 10000

segundos en modo RTU, es en este instrumento virtual donde especificamos nuestra

dirección como esclavo (247).

B. Entrega a posteriores subdiagramas la dirección del puerto que estamos leyendo

(COM1).

68

C. Entrega a posteriores subdiagramas cualquier error que pueda ocurrir dentro de la

estructura.

5. Se utiliza el Open/Create/Replace File para que abra el archivo llamado historial de

tesis y reemplace en él los datos que tenga guardados con anterioridad y de la orden de

escribir valores monitoreados.

D. Entrega a posteriores subdiagramas la dirección del archivo en donde serán escritos y

guardados los datos monitoreados.

4.3 CLAVE DE ACCESO PARA LOS UMBRALES DE LAS LARMAS

Parte importante de este estudio es que el usuario pueda manipular los valores

umbrales para la generación de alarmas, visto que el monitoreo a distancia podrá hacerse por

cualquier usuario, se hace necesario implementar una clave de acceso, para que así cualquier

usuario pueda monitorear las variables del laboratorio pero sólo aquellos que posean la clave

puedan alterar los umbrales de las alarmas. La figura 4.2 muestra los pasos necesarios a seguir

en la programación del diagrama de bloques para la implementación de la clave de acceso para

los umbrales de las alarmas.

1. El Equal comparará la clave ingresada por el usuario y verificar si es autentica, en la

figura 4.3 se puede observar los indicadores y controladores de los umbrales, también

el indicador dispuesto para ingresar la clave.

2. En caso de que la clave ingresada sea incorrecta, Equal entregará un valor boleano

falso y así el Case Structure ejecutará el caso correspondiente, los usuarios podrán

alterar los valores de los umbrales en el panel frontal pero el programa no los tomará

en cuenta y permanecerán con los valores predeterminados.

3. En caso de que la clave ingresada sea correcta, el Equal entregará un valor boleano

verdadero, en este caso el programa si ejecutará cualquier cambio que el usuario

realice sobre los umbrales.

69

4. Los valores correspondientes a los umbrales para las alarmas ya sean predeterminados

o alterados por el usuario serán transmitidos a posteriores subdiagramas para la

evaluación de las alarmas.

Figura 4.2 Diagrama de bloques de la clave de acceso para los umbrales de las alarmas.

70

Figura 4.3 Panel frontal de la clave de acceso para los umbrales de las alarmas.

4.4 ADQUISICIÓN DE LOS DATOS

Figura 4.4 Diagrama de bloques de la adquisición de datos.

71

1. El MB Slave Read All Holding Registers, lee todos los registros de tenencia de la tabla

de memoria del esclavo y entrega los datos adquiridos en la posición correspondiente

sin importar el orden en que comiencen a ser enviados por el maestro.

2. El Cluster to Array convertirá el grupo de datos a un arreglo (de una dimensión) de

elementos del mismo tipo de datos, para que luego el Unbundle divida este arreglo en

cada uno de sus elementos individuales y así sean entregados a los siguientes

subdiagramas para el estudio y manipulación de las variables medidas por la tarjeta de

adquisición de datos.

3. Cada una de las variables correspondientes a los datos de voltajes pico, corrientes

picos, potencias activas y adelantos atrasos entre las ondas en sus respectivas

posiciones asignadas por el maestro serán ingresadas a un Stacked Sequence donde

secuencialmente se ejecutarán los pasos necesarios la manipulación de las variables.

4. Los errores que puedan ocurrir en los subdiagramas anteriores serán ingresados en el

MB Slave Read All Holding Registers para detener el proceso.

5. Se entregará a posteriores subdiagramas cualquier error que pueda ocurrir en el

proceso de adquisición de datos.

6. La adquisición de datos y los subdiagramas posteriores destinados a la manipulación

de los datos están incluidos en un Event Structure, de esta manera se refrescará el panel

frontal cada 100 ms con los valores almacenados en caso de que estos no cambien u

ocurra algún error o acontecimiento.

4.5 CONFIGURACIÓN PARA LOS VOLTAJES

La figura 4.5 muestra los pasos necesarios a seguir en la programación del diagrama de

bloques para la adquisición y manipulación de los voltajes monitoreados.

72

1. Se adquiere el dato de 16 bits correspondiente al valor pico de la onda senoidal de

voltaje en la primera fase y lo convertimos a una cadena de caracteres exadecimales

mediante el Number to Hexadecimal String.

Figura 4.5 Diagrama de bloques de la configuración para los voltajes.

2. Convertimos la cadena de caracteres en un número, el número que salga de aquí estará

comprendido entre 0 y 1023 para los valores mínimos y máximos de la onda senoidal

de voltaje.

3. Se multiplica el número por el factor de conversión y así obtenemos el valor decimal

de voltaje pico en la primera fase, este valor es mostrado de manera inmediata en el

panel frontal, las derivaciones 3a y 3b del valor de voltaje pico son utilizadas

respectivamente para enviar el valor al archivo contenedor del historial, y para ser

utilizado en los subdiagramas destinados a la generación de alarmas.

4. El valor de voltaje pico es multiplicado por el factor 0.707 para así obtener el voltaje

eficaz en la primera fase, este valor es mostrado de manera inmediata en el panel

frontal.

73

5. A este lazo se le ha llamado Comprobación de Valor Diferente, el Feedback Node

almacena un valor de datos entrante, el primer valor almacenado por defecto es el cero,

este es enviado tanto al Not Equal como al Select, al Not Equal entran entonces el

valor de voltaje pico en la primera fase y el valor anterior a este valor de voltaje que

está siendo enviado por el Feedback Node, son comparados y la respuesta booleana

(verdadera o falsa) es enviada cómo condición al Select, de acuerdo a está decisión el

Select decidirá enviarle al Feedback Node el valor de voltaje pico en la primera fase

que entra en él si la condición es verdadera, es decir, si los valores de voltaje pico en la

primera fase y el valor anterior son diferentes, de lo contrario envía el valor que recibe

del Feedback Node, cualquiera que sea el caso, el Feedback Node almacenará este dato

entrante para volver a realizar la operación una vez que sea medido el próximo valor de

voltaje pico en la primera fase.

Este procedimiento es de vital importancia para la generación de alarmas y para el

llenado del historial, de esta manera nos aseguraremos de que los datos almacenados en

el historial serán sólo los datos diferentes, y como este historial tendrá la hora en la que

se registraron las mediciones, el usuario tendrá conocimiento pleno de las variaciones

de las mediciones durante todo el período que decida poner en funcionamiento el

dispositivo; así también nos aseguraremos que los correos electrónicos enviados cada

vez que suceda una falla, sean sólo uno por falla.

Las derivaciones 5a y 5b del valor booleano de la comparación realizada son utilizados

respectivamente para enviar el valor al archivo contenedor del historial, y para ser

utilizado en los subdiagramas destinados a la generación de alarmas.

74

Figura 4.6 Diagrama de bloques para el envío de correo electrónico cuando el voltaje enla primera fase supere el umbral permitido.

1. El primer Case Structure se activará cuando la Comprobación de Valor Diferente

entre los voltajes picos de la primera fase sea verdadera, de lo contrario, no se activara

y así nos aseguraremos de que sea enviado un solo correo electrónico a los

destinatarios por cada falla que ocurra.

2. Es el valor de voltaje pico medido en la primera fase.

3. Es el valor umbral máximo de voltaje en la primera fase ya sea predeterminado o

alterado por el usuario.

4. Aquí se comparan el valor medido con el umbral permitido, si el valor medido supera

el umbral se activará el segundo Case Structure dejando que el SMTP Email Send

Message haga su labor, este instrumento virtual estará configurado con la dirección IP

(127.0.0.1), dirección del remitente (tesis.julio.carpiomaiol.com), direcciones de los

destinatarios (carpiocjuliocmail.com), título del mensaje (problema con la fase uno) y

el mensaje (el voltaje en la fase uno del laboratorio asciende el umbral especificado)

para así enviar el correo electrónico cada vez que ocurra alguna falla de este tipo.

75

Figura 4.7 Diagrama de bloques para el envío de correo electrónico cuando el voltaje enla primera fase no alcance el umbral permitido.


entre los voltajes picos de la primera fase sea verdadera, de lo contrario, no se activara

y así nos aseguraremos de que sea enviado un solo correo electrónico a los



3. Es el valor umbral mínimo de voltaje en la primera fase ya sea predeterminado o


4. Aquí se comparan el valor medido con el umbral permitido, si el valor medido no

alcanza el umbral se activará el segundo Case Structure dejando que el SMTP Email

Send Message haga su labor, este instrumento virtual estará configurado con la

dirección IP (127.0.0.1), dirección del remitente (tesis.julio.carpiomaiol.com),

direcciones de los destinatarios (carpiocjuliocmail.com), título del mensaje (problema

con la fase uno) y el mensaje (el voltaje en la fase uno del laboratorio desciende el

umbral especificado) para así enviar el correo electrónico cada vez que ocurra alguna

falla de este tipo.

76

Figura 4.8 Diagrama de bloques para el envío del valor de voltaje pico en la primera fasehacia el archivo contenedor del historial y la generación de alarmas visuales en el panel frontal.


2. Es el valor umbral mínimo de voltaje en la primera fase ya sea predeterminado o



alcanza el umbral se obtendrá como respuesta un valor booleano verdadero, de lo

contrario un valor booleano falso.


5. Es el valor umbral máximo de voltaje en la primera fase ya sea predeterminado o



el umbral se obtendrá como respuesta un valor booleano verdadero, de lo contrario un

valor booleano falso.

7. El Compound Arithmetic en su configuración como compuerta and arrojará un valor

booleano verdadero cada vez que algunos de los casos de los pasos 3 o 6 o ambos sean

77

verdaderos, así se activará una alarma en el panel frontal, en la sección correspondiente

a la primera fase cada vez que ocurra cualquier eventualidad referente al voltaje en esta

fase, en la figura 4.9 se muestra esta alarma.


booleano verdadero cada vez ocurra cualquier eventualidad en cualquiera de las tres

fases, ya seas referente a voltajes o corrientes, esto es debido a que si el usuario está

monitoreando una fase diferente a la fase en la que está ocurriendo la falla, pueda

notarla y dirigir su atención hacia ella para tomar las medidas pertinentes, en la figura

4.10 se muestra esta alarma.


10. Mediante el Number To Decimal String, convertimos el valor de voltaje pico en la

primera fase a cadenas de caracteres decimales; el Concatenate Strings se encargará de

concatenar el nombre (voltaje en la fase uno=), el valor de voltaje pico medido y

llevado a cadena de caracteres y la unidad (V).

11. Este es el valor final medido de voltaje pico en la primera fase concatenado con su

nombre y unidad, listo para ser recibido por el contenedor del historial.

12. Es el valor booleano de la Comprobación de Valor Diferente entre los voltajes picos

de la primera fase a ser enviado al contenedor del historial para asegurarnos de que

sólo se guarden los datos cuando sean diferentes.

Procedimientos similares a los mencionados hasta ahora en esta parte del capitulo

4 se llevan a cabo para el estudio y manipulación de las variables correspondientes a los

voltajes en las fases 2 y 3 del laboratorio de circuitos y medidas y electrónica de la escuela

de ingeniería eléctrica de la universidad de los andes.

78

Figura 4.9 Panel frontal de la alarma referente al voltaje en la primera fase.

Figura 4.10 Panel frontal de la alarma referente a cualquier eventualidad.

79

4.6 CONFIGURACIÓN PARA LAS CORRIENTES

La figura 4.11 muestra los pasos necesarios a seguir en la programación del diagrama

de bloques para la adquisición y manipulación de las corrientes monitoreadas.

1. Se adquiere el dato de 16 bits correspondiente al valor pico de la onda senoidal de

corriente en la primera fase y lo convertimos a una cadena de caracteres exadecimales

mediante el Number to Hexadecimal String.

2. Convertimos la cadena de caracteres en un número, el número que salga de aquí estará

comprendido entre 0 y 1023 para los valores mínimos y máximos de la onda senoidal

de corriente.

Figura 4.11 Diagrama de bloques de la configuración para las corrientes.


de corriente pico en la primera fase, este valor es mostrado de manera inmediata en el

panel frontal, las derivaciones 3a y 3b del valor son utilizadas respectivamente para

enviar el valor al archivo contenedor del historial, y para ser utilizado en los

subdiagramas destinados a la generación de alarmas.

80

4. El valor de corriente pico es multiplicado por el factor 0.707 para así obtener la

corriente eficaz en la primera fase, este valor es mostrado de manera inmediata en el

panel frontal.

5. La Comprobación de Valor Diferente también es aplicada a los valores de corriente por

los mismos motivos ya explicados, las derivaciones 5a y 5b del valor booleano de la

comparación realizada son utilizados respectivamente para enviar el valor al archivo

contenedor del historial, y para ser utilizado en los subdiagramas destinados a la

generación de alarmas.

Figura 4.12 Diagrama de bloques para el envío de correo electrónico cuando la corrienteen la primera fase supere el umbral permitido.


entre las corrientes picos de la primera fase sea verdadera, de lo contrario, no se

activara y así nos aseguraremos de que sea enviado un solo correo electrónico a los


2. Es el valor de corriente pico medido en la primera fase.

3. Es el valor umbral máximo de corriente en la primera fase ya sea predeterminado o


81


el umbral se activará el segundo Case Structure dejando que el SMTP Email Send

Message haga su labor, este instrumento virtual estará configurado con la dirección IP

(127.0.0.1), dirección del remitente (tesis.julio.carpiomaiol.com), direcciones de los

destinatarios (carpiocjuliocmail.com), título del mensaje (problema con la fase uno) y

el mensaje (la corriente en la fase uno del laboratorio asciende el umbral especificado)

para así enviar el correo electrónico cada vez que ocurra alguna falla de este tipo.

Figura 4.13 Diagrama de bloques para el envío del valor de corriente pico en la primerafase hacia el archivo contenedor del historial y la generación de alarmas visuales en el panel

frontal.


2. Es el valor umbral máximo de corriente en la primera fase ya sea predeterminado o



supera el umbral se obtendrá como respuesta un valor booleano falso, de lo contrario

un valor booleano verdadero, así se activará una alarma en el panel frontal, en la

sección correspondiente a la primera fase cada vez que ocurra cualquier eventualidad

referente la corriente en esta fase.


booleano verdadero cada vez que ocurra cualquier eventualidad en cualquiera de las

82

tres fases, ya seas referente a voltajes o corrientes, esto es debido a que si el usuario

está monitoreando una fase diferente a la fase en la que está ocurriendo la falla, pueda

notarla y dirigir su atención hacia ella para tomar las medidas pertinentes.


6. Mediante el Number To Decimal String, convertimos el valor de corriente pico en la

primera fase a cadenas de caracteres decimales; el Concatenate Strings se encargará de

concatenar el nombre (voltaje en la fase uno=), el valor de corriente pico medido y

llevado a cadena de caracteres y la unidad (A).

7. Este es el valor final medido de corriente pico en la primera fase concatenado con su

nombre y unidad, listo para ser recibido por el contenedor del historial.

8. Es el valor booleano de la Comprobación de Valor Diferente entre las corrientes picos

de la primera fase a ser enviado al contenedor del historial para asegurarnos de que

sólo se guarden los datos cuando sean diferentes.

Procedimientos similares a los mencionados hasta ahora en esta parte del capitulo 4 se

llevan a cabo para el estudio y manipulación de las variables correspondientes a las

corrientes en las fases 2 y 3 del laboratorio de circuitos y medidas y electrónica de la

escuela de ingeniería eléctrica de la universidad de los andes.

4.7 CONFIGURACIÓN PARA LAS POTENCIAS Y FACTORES DE

POTENCIAS

1. Se adquiere el dato correspondiente al adelanto atraso entre las ondas de voltaje y

corriente de la primera fase del laboratorio, se evalúa y si es igual a cero corresponderá

a un factor de potencia en adelanto, de lo contrario corresponderá a un factor de

potencia en atraso, estos casos se mostrarán de manera inmediata en el panel frontal,

la figura 4.15 muestra cómo se indican en el panel frontal, la derivación 1a es el valor

booleano correspondiente al factor de potencia en adelanto y será utilizado para

83

concatenar el factor de potencia antes de ser enviado al archivo contenedor del

historial.

2. Se adquiere el dato de 16 bits correspondiente al valor de potencia activa en la primera

fase y lo convertimos a una cadena de caracteres exadecimales mediante el Number to

Hexadecimal String. Convertimos la cadena de caracteres en un número, el número

que salga de aquí estará comprendido entre 0 y 1023 para los valores mínimos y

máximos de potencia activa en la primera fase.

Figura 4.14 Diagrama de bloques de la configuración para las potencias y factores depotencias.


de potencia activa en la primera fase, este valor es mostrado de manera inmediata en el

84

panel frontal, las derivación 3a del valor será utilizado para enviar este valor al archivo

contenedor del historial.

4. Se multiplican los valores correspondientes a voltaje eficaz y corriente eficaz en la

primera fase.

5. Se divide la potencia activa en la primera fase obtenida en el paso 3 entre la

multiplicación de del voltaje eficaz y corriente eficaz obtenido en el paso 4 para así

deducir el valor decimal del factor de potencia en la primera fase, este valor es

mostrado de manera inmediata en el panel frontal, las derivación 5a del factor de

potencia en la primera fase será utilizado para enviar este valor al archivo contenedor

del historial.

6. Se divide el factor de potencia en la primera fase obtenido en el paso 5 entre la

potencia activa obtenida en el paso 3 para así deducir el valor decimal de potencia

aparente en la primera fase del laboratorio, este valor es mostrado de manera inmediata

en el panel frontal, las derivación 6a de la potencia aparente en la primera fase será

utilizado para enviar este valor al archivo contenedor del historial.

Figura 4.15 Panel frontal de la visualización del factor de potencia en adelanto.

85

Figura 4.16 Panel frontal de la visualización del factor de potencia en atraso.

Figura 4.17 Diagrama de bloques para el envío de los valores de potencias y factor depotencia de la primera fase hacia el archivo contenedor del historial y a la comprobación de

balances entre las fases del laboratorio.

86

1. Es el valor de factor de potencia calculado para la primera fase.

2. Es el valor booleano correspondiente al factor de potencia en adelanto.

3. Se hace la Comprobación de Valor Diferente para el factor de potencia en la primera

fase del laboratorio esto nos entrega un valor booleano de la comparación realizada

para enviarlo al archivo contenedor del historial y así asegurarnos de que sólo se

guarden los datos cuando sean diferentes.

4. Mediante el Number To Decimal String, convertimos el valor de factor de potencia en

la primera fase a cadenas de caracteres decimales.

5. El Concatenate Strings se encargará de concatenar el nombre (factor de potencia en la

fase uno=) y el valor de factor de potencia calculado llevado a cadena de caracteres.

6. El Append True/False String Seleccionará mediante el valor booleano correspondiente

al factor de potencia en adelanto una secuencia falsa o verdadera y añadirá una de la

cadenas de caracteres (en adelanto para el valor booleano verdadero, en atraso para el

valor booleano falso) al dato entregado en el paso 5 para ser enviado al archivo


7. Es el valor de potencia activa obtenida para la primera fase.

8. Se hace la Comprobación de Valor Diferente para la potencia activa obtenida en la

primera fase del laboratorio esto nos entrega un valor booleano de la comparación

realizada para enviarlo al archivo contenedor del historial y así asegurarnos de que sólo

se guarden los datos cuando sean diferentes.

9. Mediante el Number To Decimal String, convertimos el valor de potencia activa

obtenida en la primera fase a cadenas de caracteres decimales.

10. El Concatenate Strings se encargará de concatenar el nombre (potencia activa en la

fase uno=), el valor de factor de potencia obtenido llevado a cadena de caracteres y la

unidad (W) para ser enviado al archivo contenedor del historial.

87

11. Es el valor de potencia aparente calculada para la primera fase, este valor también es

enviado al diagrama encargado de la comprobación de balance entre las fases del

laboratorio.

12. Se hace la Comprobación de Valor Diferente para la potencia aparente calculada en la

primera fase del laboratorio esto nos entrega un valor booleano de la comparación

realizada para enviarlo al archivo contenedor del historial y así asegurarnos de que sólo

se guarden los datos cuando sean diferentes.

13. Mediante el Number To Decimal String, convertimos el valor de potencia aparente

calculada en la primera fase a cadenas de caracteres decimales.

14. El Concatenate Strings se encargará de concatenar el nombre (potencia aparente en la

fase uno=), el valor de factor de potencia obtenido llevado a cadena de caracteres y la

unidad (VA) para ser enviado al archivo contenedor del historial.

Procedimientos similares a los mencionados hasta ahora en esta parte del capitulo 4 se

llevan a cabo para el estudio y manipulación de las variables correspondientes a las

potencias y factores de potencias en las fases 2 y 3 del laboratorio de circuitos y medidas y

electrónica de la escuela de ingeniería eléctrica de la universidad de los andes.

4.8 CONFIGURACIÓN PARA LA ADQUISICIÓN DE DATOS EN EL

ARCHIVO CONTENEDOR DEL HISTORIAL

1. Son los valores de voltajes, corrientes, potencias y factores de potencia obtenidos y

calculados en cada una de las tres fases que alimentan el laboratorio, así como también

la Comprobación de Valor Diferente para cada uno de los valores.

2. La Comprobación de Valor Diferente para cada uno de los valores mencionados entran

al Compound Arithmetic en su configuración como compuerta and, de esta manera se

arrojará un valor booleano verdadero cuando por lo menos uno de los valores medidos

sea diferente a su anterior, y es entonces cuando se activará el Case Structure

88

asegurando que sean guardados los datos en el historial sólo cuando estos sean

diferentes, así ahorramos espacio en el archivo y será mas directa la búsqueda de algún

dato en particular por parte de los usuarios.

Figura 4.18 Diagrama de bloques para la adquisición de datos en el archivo contenedordel historial.

3. El Format Date/Time String será el instrumento encargado de proporcionarnos la fecha

y hora tanto en cada uno de los paneles frontales destinados a cada una de las fases y

también será el inicio en cada uno de los muestreos de datos guardados en el historial

para que el usuario determine de manera clara y concisa la fecha y hora en la que se

realizo cada medida.

89

4. Una vez que el Case Structure sea activado el Bundle tomará la fecha, hora y todos los

datos medidos y calculados y montará un grupo de estos elementos individuales.

5. El Cluster to Array convertirá el grupo de elementos individuales a un arreglo (de una

dimensión) del mismo tipo de datos.

6. A través de este cable el Open/Create/Replace File envía la dirección del archivo


7. El Write to Text File recibe los datos y los escribe en el archivo del cual se le ha

enviado la dirección.

4.9 CONFIGURACIÓNPARA EL CÁLCULO DEL BALANCEEN LAS

FASES DEL LABORATORIO

La figura 4.19 muestra los pasos necesarios a seguir en la programación del diagrama

de bloques para la obtención de los balances entre las fases del laboratorio a través de la

manipulación de las potencias aparentes calculadas.

1. Es el valor de potencia aparente calculado para la primera fase.

2. Es el valor de potencia aparente calculado para la segunda fase.

3. Es el valor de potencia aparente calculado para la tercera fase.

4. Se calcula el 10 % del valor de potencia aparente de la primera fase.

5. Se le suma y se le resta su 10 % al valor de potencia aparente de la primera fase.

6. Se comprara si el valor de potencia aparente de la segunda fase es mayor que el valor

de potencia aparente de la primera fase más su 10 %, y si es menor que el valor de la

potencia aparente de la primera fase menos su 10 %.

90

7. La combinación de las compuertas lógicas Or y Not demostrará directamente en el

panel frontal cuando las fases 1 y 2 estén balanceadas (si no se cumplen ninguna de las

comparaciones hechas en el paso 6), y cuando no lo estén (si se cumple alguna de las

comparaciones hechas en el paso 6).

Figura 4.19 Diagrama de bloques para el cálculo del balance en las fases del laboratorio yfinalización del programa.

8. Se comprara si el valor de potencia aparente de la tercera fase es mayor que el valor de

potencia aparente de la primera fase más su 10 %, y si es menor que el valor de la

potencia aparente de la primera fase menos su 10 %.





10. Se calcula el 10 % del valor de potencia aparente de la segunda fase.

91

11. Se le suma y se le resta su 10 % al valor de potencia aparente de la segunda fase.

12. Se comprara si el valor de potencia aparente de la tercera fase es mayor que el valor de

potencia aparente de la segunda fase más su 10 %, y si es menor que el valor de la

potencia aparente de la segunda fase menos su 10 %.





14. Son los errores que puedan ocurrir en los subdiagramas anteriores.

15. La compuerta lógica Or utilizará ya sea cualquier error ocurrido en subdiagramas

anteriores o la orden de Stop generada por el usuario desde el panel frontal para

detener el MB Serial Slave Demon.vi y el While Loop que contiene la programación

para la adquisición y manipulación de los datos y de esta manera detener el proceso.

16. Entrega al VISA Close la dirección del puerto que estamos leyendo (COM1) para que

cierre la sesión al momento de ocurrir una falla.

17. Son los errores que puedan ocurrir en los subdiagramas anteriores entregados al VISA

Close.

18. El Merge Errors combinará los diversos errores ocurridos en los distintos

subdiagramas de nuestro programa.

19. El Simple Error Handler recibirá la información enviada por el Merge Errors y por

consiguiente indicará si ocurrió algún error en los distintos subdiagramas de nuestro

programa, entregando una descripción del error en una caja de diálogo.

92

Figura 4.20 Panel frontal de la visualización del balance de potencias de la primera fasescon las demás.

4.10 Publicación del Panel Frontal

La publicación del panel frontal se realizará utilizando la herramienta Web

Publishing Tool, la cual al ser seleccionada proporciona una plantilla a llenar con los

requerimientos dispuestos por el autor tales como nombre con el cual se guardo el

proyecto, modo de transmisión ya sea bidireccional (siendo este el utilizado en este

estudio), sólo enviar una foto o enviar una foto que se refresque cada cierto tiempo,

titulo, leyenda superior e inferior; luego proporciona los datos de almacenaje como

nombre del archivo (proyecto.html), directorio donde se salva la pagina (C:/archivo de

programas/Nacional instruments/LabVIEW 8.5/www) y el dato a ser ingresados desde

el computador remoto necesarios para realizar el monitoreo a distancia

(http://desktop/proyecto/.html), estos pasos se muestran en las figuras 4.21 y 4.22.

93

Figura 4.21 Panel frontal principal y selección de las herramientas utilizadas para lapublicación del mismo.

Figura 4.22 Plantilla a llenar para la publicación del panel frontal.

http://desktop/proyecto/

94

CONCLUSIONES

Se hizo la captación de las señales de voltaje y corriente que alimentan el laboratorio a

través de los transformadores de tensión MIYAKO LP-421 y la pinza amperimétrica

del multimetro 266 CLAMP METER respectivamente en cada una de las fases, estos

instrumentos utilizados como transductores arrojaron señales proporcionales a las

corrientes y tensiones que consumen el laboratorio para la alimentación eléctrica de los

equipos utilizados en él.

Se diseñó una tarjeta capaz de adquirir estas señales y manipularlas de manera tal que

los valores correspondientes a la tensión y corriente consumidas por el laboratorio

puedan ser ingresadas al microcontrolador, también se realizó en este paso el cálculo

de potencia activa consumida por fase, esta señales de potencia fueron acondicionadas

para poder ser ingresadas al microcontrolador.

Se estudió e hizo la escogencia del microcontrolador que cumple con las exigencias

requeridas para este estudio, como por ejemplo que posee el numero adecuado de

entradas analógicas.

Se realizó un programa luego de haber hecho el estudio de los lenguajes de

programación necesarios para programar el microcontrolador capaz de tomar las tres

variables por fase (onda senoidal proporcional de voltaje consumido, onda senoidal

proporcional de corriente consumida, señal proporcional de potencia activa consumida)

y manipularlas de tal manera de adquirir los valores requeridos para el estudio (voltaje

pico por fase, corriente pico por fase, factor que indica el adelanto o atraso del factor

de potencia por fase, potencia activa por fase), se utilizaron los protocolos de

comunicación RS-232 y Modbus luego de su previo estudio para realizar la

comunicación entre el microcontrolador y el computador.

La tarjeta de adquisición de datos es alimentada por una fuente diseñada e

implementada en este estudio para que supla las necesidades requeridas por parte de

todos los componentes electrónicos utilizados en la tarjeta.

95

Se realizó el diseño e implementación de una interfaz gráfica capaz de adquirir los

datos enviados por el microcontrolador y manipularlos para obtener y mostrar en

pantalla en un ambiente amigable todos los datos requeridos en este estudio (voltaje

pico y eficaz por fase, corriente pico y eficaz por fase, potencias activas y aparentes

por fase, factor de potencia con se respectivo factor de adelanto o atraso por fase y el

balance entre las fases) a través del software Labview.

La interfaz gráfica realizada también es capaz de almacenar los datos supervisados

acompañados de la fecha y hora exacta en que fueron captados en un archivo

contenedor del historial, mostrar una alarma en el panel frontal cada vez que los datos

monitoreados salgan del rango determinado por el usuario del equipo como valedero,

enviar un correo electrónico a los destinatarios especificados por el usuario cada vez

que ocurra una llamada de alarma indicando en que fase y en que tipo de variable

ocurrió la falla, transmitir el panel frontal en tiempo real a través de Internet para la

supervisión remota de las variables del laboratorio y cuenta con un sistema de accseso

para que los usuarios autorizados puedan de manera local o remota cambiar los

umbrales del sistema de alarma.

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RECOMENDACIONES

Utilizar una pinza amperimétrica específicamente diseñada para entregar un voltajeproporcional a la corriente que circula por ella sin tener que alterar su configuracióninterna.

Implementar comunicación a través de medios inalámbricos entre la tarjeta deadquisición de datos y el computador.

Implementar un sistema de acceso remoto capaz de registrar a todos los usuarios quedeseen supervisar la alimentación del laboratorio, llevando un registro de la fecha yhora en la cual accedieron al sistema de supervisión.

Implementar el uso de una memoria externa en el sistema de supervisión que permita alos usuarios extraer el historial de datos sin tener que detener la supervisión dellaboratorio.

Hacer los ajustes necesarios tanto en la tarjeta de adquisición de datos así comotambién en la interfaz gráfica para que el sistema sea capaz de registrar los armónicosen la red que alimenta el laboratorio.

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REFERENCIAS

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