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PROTOTIPO DE SISTEMA DE MONITOREO PARA LA INFRAESTRUCTURA ELECTRICA

DE UN NODO REMOTO DE TELECOMUNICACIONES DE LA EMPRESA TELEFONICA COLOMBIA (SMIE)

Pedro Luis Bastidas Mendoza [email protected], Camilo Andrés Salgado Patiño [email protected], Adolfo

León Recio [email protected]

Departamento de Electrónica. Facultad de Ingeniería. Pontificia Universidad Javeriana. Bogotá D.C. Colombia

Resumen ___ Aplicación del área de telecomunicaciones, cuyo objetivo central es permitir el monitoreo remoto de la infraestructura eléctrica de un nodo de telecomunicaciones, permitiendo conocer el estado de las variables monitoreadas y detectando proactivamente cualquier falla que se presente en la infraestructura de soporte eléctrico, para prevenir la ausencia de alimentación de los equipos de telecomunicaciones. El sistema cuenta con un modulo de adquisición de señales ubicado en el nodo remoto, el cual transmite la información de las variables vía Ethernet, ofreciendo la posibilidad de utilizar la red propietaria de la empresa Telefónica Colombia como medio de comunicación. Adicionalmente cuenta con un módulo de visualización con interfaz gráfica, el cuál permite fácilmente conocer el estado de las variables monitoreadas. Dicho módulo posee una base de datos que almacena los eventos del sistema eléctrico, que no se encuentran dentro de los rangos establecidos como normales. Palabras Claves ___ Monitoreo, Infraestructura Eléctrica, Ethernet, Redes, Lenguaje de Programación.

I. INTRODUCCIÓN

l prototipo del sistema de monitoreo de Infraestructura eléctrica ha sido desarrollado por estudiantes de Ingeniería Electrónica de la Pontificia

Universidad Javeriana como desarrollo de trabajo de grado, con la colaboración de la empresa Telefónica Colombia, la cual permitió realizar todo el estudio para la implementación del sistema bajo las condiciones específicas de su infraestructura, teniendo en cuenta que no tienen un sistema de supervisión para la infraestructura eléctrica. En las empresas de Telecomunicaciones representa un factor de alta prioridad el tener control sobre todos los posibles aspectos que afecten la prestación de los servicios, específicamente teniendo en cuenta que ésta clase de servicios requieren de una disponibilidad las veinticuatro horas del día, todos los días del año; y en caso de presentarse problemas se incurrirán en multas que representan altos costos para las Compañías e inconformidad para los clientes finales. Uno de estos factores principales que interviene en el tiempo de disponibilidad de los servicios prestados y en el cual se ha enfocado el desarrollo del proyecto de grado, es el soporte eléctrico de los nodos de telecomunicaciones, los cuales

hacen parte fundamental de la red de transporte de las empresas en cuestión.

En la empresa Telefónica Colombia los nodos poseen sistemas de soporte eléctrico, los cuales garantizan el continuo fluido eléctrico hacia los equipos de comunicaciones. Dicha configuración en general está compuesta por una planta eléctrica, UPS y la transferencia automática, los cuales se ilustran en conjunto en la siguiente figura:

Figura 1: Esquema eléctrico de los nodos de la empresa Telefónica

Colombia Para la ejecución del proyecto se desarrollaron tres etapas principales, las cuales se realizaron de manera estructurada para finalmente cumplir con los objetivos planteados. La primera etapa consistió básicamente en un proceso de investigación de las condiciones específicas de los nodos de la empresa Telefónica Colombia, de las variables requeridas por monitorear, de las posibilidades de implementación y de las expectativas del personal involucrado. Luego de tener claro todo el panorama del proyecto, se realizó un proceso de búsqueda de herramientas para cumplir con lo recopilado en la etapa anterior, donde se realizó la estructuración del sistema y se plantearon los principales bloques por desarrollar. Seguidamente, se procedió con la implementación del prototipo, desarrollando cada módulo de manera independiente y una vez certificados, se realizó la unión de todo el sistema con las respectivas pruebas y ajustes necesarios.

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II. DESCRIPCIÓN

El sistema de monitoreo, consta de tres subsistemas claramente identificados que han sido desarrollados de acuerdo a los requerimientos propuestos. Estos se muestran a continuación en el diagrama en bloques general:

Figura 2: Diagrama en bloques del sistema de monitoreo El sistema de manera global realiza un proceso de almacenamiento de datos y procesamiento de acuerdo a las variables especificadas, a través del subsistema de adquisición de señales el cual consta principalmente de dos microcontroladores Microchip PIC18F452 de los cuales uno está específicamente centrado en la adquisición de las señales y la transmisión serial de los datos hacia el subsistema de comunicaciones; el otro está realizando las labores de visualización local de la información, es decir que éste se encarga de recibir en tiempo real la información del microcontrolador principal y realizar toda la rutina para desplegar la información en un visualizador local el cual permite conocer todas las variables en el sitio. Se realizó dicha independización con el fin de generar robustecimiento en el proceso de adquisición de alarmas y transmisión serial, ya que como se está realizando la visualización local se generan interrupciones constantemente y podría haber problemas de prioridad con respecto a la transmisión serial. Adicionalmente dentro del subsistema de adquisición de señales son fundamentales los sensores y transductores utilizados, ya que de éstos dependen en gran medida la efectividad y exactitud de los valores entregados. A continuación se ilustra el diagrama general del subsistema de adquisición de señales donde se muestran las señales de entrada y salida:

Figura 3: Diagrama del subsistema de adquisición de señales

Después de que el subsistema de adquisición tiene todos los datos, éstos son enviados al subsistema de comunicación el cual se encarga de transportarlos a través de la red de transporte para ser entregados al subsistema de almacenamiento de datos, el cual se encuentra en el punto de concentración que podría estar ubicado en el centro de

gestión de la empresa. El diagrama general del subsistema de comunicación que se tendría en el esquema de montaje de la red de comunicaciones de la empresa, se muestra en la siguiente figura:

Figura 4: Diagrama del subsistema de comunicación

Finalmente los datos que son entregados al subsistema de almacenamiento de datos, son procesados por el software desarrollado en Microsoft Visual Basic ver. 6.0 con interface gráfica al usuario (Ver Figura 6), siendo esté elemento gráfico una característica muy competitiva ya que la tendencia tecnológica está enfocada cada vez más hacia generar herramientas que no sólo sean poderosas técnicamente sino que también sean amigables con el usuario y simples de usar. Dicho software trabaja con una base de datos en donde se almacena la información de los eventos que se presentan (Ver Figura 7). A continuación se muestra el esquema del subsistema de almacenamiento de datos, con los elementos principales que intervienen en la operación del mismo:

Figura 5: Diagrama del subsistema de almacenamiento de datos

En caso de presentarse una alarma en el sistema, el software genera la alarma visual en la sección en donde se presente (en el bloque de red pública, planta eléctrica, transferencia automática ó UPS, según corresponda), y al mismo tiempo almacena en la base de datos en una tabla, la variable que se encuentra alarmada con su correspondiente valor (dicha tabla se denomina histórico de alarmas) y genera otra tabla adicional (denominada detalles de parámetros) en la que se almacenan los valores de todas las variables mientras esté la alarma presente. En la siguiente figura se muestra la pantalla de despliegue de alarmas del software.

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Figura 6: Visualización de parámetros monitoreados

Figura 7: Visualización de formulario de reportes

III. CONCLUSIONES En el desarrollo del proyecto se presentaron diferentes acontecimientos, los cuales permiten reflexionar sobre situaciones y planteamientos que en un principio no eran trascendentales desde el punto de vista de los autores y que finalmente afectaron la forma de ejecutar el trabajo de grado y seguramente la forma de afrontar en el futuro proyectos como Ingenieros Electrónicos. A continuación se profundiza sobre dichas situaciones importantes por resaltar: El plantear un proyecto real (aunque se trate de un prototipo) con una empresa de Telecomunicaciones, representa un gran compromiso para los autores ya que se tiene la responsabilidad de cumplir con unos objetivos planteados inicialmente en conjunto con el personal involucrado de la compañía. Así mismo, el desarrollo del proyecto abre de manera significativa la visión de todas las variables que se encuentran involucradas en el desarrollo de un proyecto de Ingeniería. Un aspecto importante por

resaltar, es que fue de gran utilidad el hecho de conocer claramente la necesidad de la empresa, por desarrollar un sistema de monitoreo de la infraestructura eléctrica de sus nodos y además conocer las condiciones específicas de éstos y de la red de transporte. Adicionalmente, se considera muy valiosa la constante colaboración por parte de la empresa, en especial del departamento de infraestructura el cual prestó todo el apoyo para la adecuada consecución del proyecto. En el desarrollo del proyecto se presentaron diferentes problemas de los cuales, los principales, y que son muy importantes de resaltar son: El principal inconveniente que se presentó y generó el mayor retardo en la finalización del proyecto, fue la documentación del dispositivo ADE7758 ya que en la parte de medición de parámetros de energía se encontraron grandes inconsistencias las cuales en un comienzo hicieron que no se lograran obtener las medidas de energía y por tanto de potencia. Después de un contacto creado directamente con el departamento encargado del desarrollo del dispositivo en la empresa fabricante1, se lograron clarificar las dudas ya que efectivamente se habían encontrado errores en las observaciones realizadas por parte de los responsables del proyecto y por tanto se logró realizar la adecuada manipulación del dispositivo. Lo anterior se presentó básicamente por la reciente salida al mercado de dicho dispositivo y las constantes correcciones que se están realizando en el manual de usuario. Otro inconveniente que se presentó en la parte final del proyecto, el cual representó costos adicionales e igualmente retardo en la finalización, fue un accidente que se presentó con la tarjeta de circuito impreso del subsistema de adquisición de señales, generándose un corto circuito con un alambre el cual se encontraba sobre la mesa cuando se realizaban pruebas. Esto ocasionó el daño del microcontrolador principal, dispositivos MID400 y pistas del circuito impreso. Por el daño presentado se incurrió en gastos inesperados como la compra de nuevos componentes (teniendo en cuenta que éstos no son conseguidos en Colombia) y se debió ordenar la fabricación nuevamente del circuito impreso; pero finalmente se considera que de errores como éste, aunque son complicados de manejar en su momento, representan una etapa importante de aprendizaje dentro del desarrollo del proyecto, ya que son situaciones que a diario se presentan a nivel profesional y que deben ser tenidas en cuenta para prevenir dichas situaciones y así mismo en el proceso de planificación y ejecución de un proyecto. Es muy importante mencionar la visión que ha generado el desarrollo del proyecto, ya que desde un punto de vista global se encontró que con la herramienta generada se pueden llevar a cabo estudios similares a nivel estructural, de gestión y monitoreo los cuales actualmente son apetecidos a nivel empresarial y representan una posible 1 Rachell Caplan. Measurement Department Analog Devices.

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fuente de negocio. Se dice a nivel estructural, ya que analizando se puede concluir que pueden crearse múltiples proyectos para diferentes sectores y aplicaciones, los cuales a nivel de desarrollo, simplemente generan pequeños cambios a lo creado en el presente proyecto. Como ejemplo, se mencionan las pruebas satisfactorias realizadas con este sistema, para realizar el monitoreo de equipos de comunicaciones que no están gestionados remotamente en los nodos de la empresa Telefónica Colombia. Específicamente, se realizaron pruebas de gestión a través de una red IP con unidades de Microondas a través de sus puertos seriales y radios Spread Spectrum gestionando su nivel de ganancia AGC. Esta importante herramienta se logra con la utilización de la interface de conversión Serial a Ethernet, ya que ésta permite la integración de antiguos equipos que traen interfaz serial de monitoreo, con las actuales redes IP. Se considera significativo resaltar la importancia del montaje físico del proyecto en cuanto a los acabados y así mismo lo atractivo que debe ser una interface gráfica en los desarrollos de software, ya que desde el punto de vista comercial es fundamental tener en cuenta cada detalle en lo referente a montaje y condiciones específicas del cliente. Otro aspecto el cual no debe pasar por alto es la importancia del análisis de costos, ya que el éxito en el desarrollo de proyectos incluye una adecuada planificación de todas las variables externas, imprevistos, disponibilidad de elementos y todos los incrementos que esto puede traer a un proyecto real, pudiendo convertirlo en un fracaso o éxito rotundo. Lo anterior se resalta teniendo en cuenta que en el desarrollo del presente proyecto se presentaron situaciones que no fueron planificadas ni proyectadas a nivel de costos y que aumentaron el valor final del producto desarrollado; pero precisamente ayuda a reflexionar sobre la importancia de la planificación y el análisis previo de manera global. Como pieza clave del proyecto, se destaca el dispositivo ADE7758 que aunque presentó dificultades para la manipulación, representa una herramienta muy poderosa y económica, para la medición de parámetros de calidad de energía; pues integradamente por cada dispositivo utilizado, se integró la medición de variables de voltaje, corriente, frecuencia, potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente, por tres fases; logrando una optimización de recursos utilizados, ya que inicialmente se planteó un esquema de medición para cada una de las variables mencionadas. Así mismo, contemplando las múltiples alternativas que ofrece el dispositivo, se considera que puede ser la base para desarrollar equipos de gestión de parámetros de energía a nivel domiciliario, por lo que se recomienda promover su profundización dentro de los estudiantes, para desarrollo de futuros trabajos de grado. Un aspecto importante por resaltar es que el presente desarrollo, aunque se realizó de acuerdo a los parámetros de los nodos de la empresa Telefónica Colombia, se ha dejado abierto para nuevas mediciones, es decir que tanto a nivel de software como de hardware el sistema tiene la capacidad

de ser adaptado para recibir nuevas señales para condiciones especiales. Específicamente, para los nodos de la empresa se utilizan plantas eléctricas y UPS bifásicas, por lo que dentro del desarrollo se trabajó con éstos parámetros, pero sin embargo en el circuito impreso (hardware) y el software del subsistema de almacenamiento de datos se tiene la opción de incluir mediciones de una fase adicional. Lo anterior es muy importante ya que a nivel de Ingeniería los cambios se presentan constantemente; por tanto los proyectos exitosos deben de estar en capacidad de adaptarse rápida y económicamente. Adicionalmente, el proyecto queda abierto para futuras actualizaciones, ya que dentro del esquema de gestión y monitoreo remoto se presentan continuamente nuevas opciones, que dan al usuario mayor control y seguridad sobre los elementos monitoreados. Ahora mismo, se pueden plantear nuevas mejoras detectadas claramente en el sistema: Se puede dedicar esfuerzo en robustecer el sistema, cambiando el enfoque de monitoreo a gestión remota, es decir que se puedan involucrar múltiples acciones que son importantes por realizar a distancia. Por ejemplo, efectuar toda la manipulación del sistema de soporte eléctrico, teniendo la posibilidad de prender, apagar o establecer estados específicos de la planta eléctrica, UPS y bancos de baterías adicionales. También se podría tomar control sobre sistemas de acceso e iluminación de los nodos y adicionar la gestión de unidades microondas, radios de tecnología Spread Spectrum, fraccionadores y demás equipos de comunicaciones que actualmente no pueden ser accedidos remotamente, logrando claramente una herramienta muy poderosa para la compañía, ya que el éxito y confiabilidad de las empresas de telecomunicaciones radica en el tiempo de disponibilidad de la red. Otra posibilidad de mejora del proyecto, puede ser la independización de medidas de potencia, ya que este estudio se delimitó a realizar mediciones de calidad de energía únicamente teniendo una fase activa, por las situaciones que se expusieron en el desarrollo del proyecto, referentes a la señalización de interrupciones por parte del dispositivo ADE7758. Aunque el planteamiento fue aceptado por la empresa, teniendo en cuenta que las verificaciones de estos parámetros se efectúan cuando se ejecuta la lista de chequeo de infraestructura eléctrica y en ésta se manipulan las fases independientemente, se considera que es benéfico el obtener dichas medidas con todas las fases trabajando simultáneamente. Finalmente, se concluye que se ha desarrollado un prototipo muy competitivo frente a las necesidades de la empresa Telefónica Colombia y así mismo puede llegar a ofrecerse como un producto para su implementación; lográndose cumplir y superándose las expectativas de los objetivos planteados inicialmente.

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IV. AGRADECIMIENTOS Al Ingeniero Gherson Flores por su incondicional apoyo y entusiasmo frente al proyecto, a la empresa Telefónica Colombia por el soporte técnico y por permitir el desarrollo de la idea, al Ingeniero Miguel Camacho por su valioso aporte en cuanto al tema de infraestructura eléctrica y al Ingeniero Adolfo León Recio por su orientación y asesoria frente al rumbo del proyecto. V. REFERENCIAS [1] FEIT, Sidnie: TCP/IP Arquitectura Protocolos e Implementación, Madrid, España. Mc Graw Hill Interamericana, 1998.

[2] KERCHNER, Russell y CORCORAN, George, Circuitos de corriente alterna, CECSA, México, 1962.

[3] MALONEY, Timothy. Electrónica Industrial, Dispositivos y Sistemas. Colombia. Prentice may, Internacional, 1983. [4] MICROCHIP TECHNOLOGY INC. Embedded Control Handbook, Arizona: Microchip Technology Inc. 1915 pag, Abril 1997. [5] MOMPIM, Jose. Electronica y automática industriales. Mundo Electrónico. Barcelona, España. Marcombo Boixareu Editores, 1979. [6] National FIRE Protection Association , Normas NFPA 37, 79, 110, 70B, y 204M Normas EGSA 100, 101, 107 y 109 (y sus subpartes). “National Electric Code” 1999, U.S.A. [7] PIZZIOLA, Antonio. Electrónica Industrial y Servomecanismos. Barcelona, España. Ediciones Don Bosco, 1980. [8] R.O. Asocciates Ltd. “Conexión a tierra para los Sistemas Eléctricos de Distribución CA y C”. Idaho, USA. 1993.

[9] SPITTA , Albert F. y SEIP, Günter G., Instalaciones Eléctricas, Tomo I,

[10] TANENBAUM, Andrew. Redes de Computadoras, Bogotá. Prentice Hall Hispanoamericana, 813 pag, 1996. [11] The Power Quality Pyramid. Methodology for Maximizing Uptime/Reliability of Electronic Loads” Marzo de 1999. [12] W. Stallings, Capítulo 5: “La interfaz en las comunicaciones de datos” de, “COMUNICACIONES Y

REDES DE COMPUTADORES” (5ª edición), Ed.: Prentice-Hall (1997). [14] http://cimmeria.uc3m.es/~tatou/proyecto/node1.html [15] http://minter.cieamer.conacyt.mx/internet/tcp_ip.html [16] http://infase.es/FORMACION/INTERNET/tcpip.html [17] http://www.solnet.com.pe/cursos/tcp_ip/tcpip.htm [18] http://www.lantronix.com [19] http://www.trifasicos.com/conceptos.php [20] http://www.microchip.com

INTRODUCCION

En las empresas de Telecomunicaciones representa un factor de alta prioridad el tener control sobre todos los posibles aspectos que afecten la prestación de los servicios, específicamente teniendo en cuenta que ésta clase de servicios requieren de una disponibilidad las veinticuatro horas del día, todos los días del año1; y en caso de presentarse problemas se incurrirán en multas que representan altos costos para las Compañías e inconformidad para los clientes finales. Uno de estos factores principales que interviene en el tiempo de disponibilidad de los servicios prestados y en el cual se ha enfocado el desarrollo del proyecto de grado, es el soporte eléctrico de los nodos de telecomunicaciones, los cuales hacen parte fundamental de la red de transporte de las empresas en cuestión. Teniendo en cuenta la distribución geográfica y las condiciones que se dan en la actualidad para los nodos de telecomunicaciones, considerando que son un punto crítico de control y acceso para el personal de mantenimiento, ya que una gran mayoría de los nodos se encuentran ubicados en cerros y montañas de difícil acceso físico, y según la experiencia para el caso específico de la empresa Telefónica Colombia S.A., el tener conocimiento previo de los eventos que ocurren a nivel eléctrico representa una herramienta muy útil y apropiada, ya que un alto grado de las incidencias que se presentan en la red son por causas de tipo eléctrico, por problemas en los equipos que hacen parte del soporte eléctrico como son: las plantas eléctricas, UPS2, transferencia automática y todos los demás elementos que están involucrados dentro del funcionamiento del grupo electrógeno. En la empresa Telefónica Colombia3 los nodos poseen sistemas de soporte eléctrico, los cuales garantizan el continuo fluído eléctrico hacia los equipos de comunicaciones. Dicha configuración en general está compuesta por una planta eléctrica, UPS y la transferencia automática, los cuales se ilustran en conjunto en la Figura 1:

1 En el lenguaje de las telecomunicaciones se denomina disponibilidad 7 * 24. 2 UPS: Uninterruptible Power System 3 www.telefonica.com.co

Figura 1. Esquema Eléctrico de un Nodo de la empresa Telefónica Colombia S.A. Específicamente en el caso de la empresa Telefónica Colombia S.A., no se tiene un sistema de supervisión para la infraestructura eléctrica, actualmente se cuenta con un contratista encargado en cada ciudad donde se encuentran los nodos, quien está disponible en caso de presentarse una emergencia ya sea por problemas técnicos de los equipos (por ejemplo: desincronización, intermitencias, degradación o pérdida total del enlace, entre otros) o por falla de fluído eléctrico. Para tener un cierto grado de supervisión sobre la infraestructura eléctrica, se realizan con cierta periodicidad pruebas de control y monitoreo manual con la ayuda de formatos Check List, en todas las estaciones (cada 7 o 15 días dependiendo de la accesibilidad al nodo); estas son pruebas que se hacen a los componentes del soporte eléctrico, donde se monitorean las condiciones de los diferentes equipos. Sin embargo, debido al alto grado de incidencias con responsabilidad directa del área energética, se han contemplado diferentes posibilidades para la supervisión de los equipos de soporte eléctrico, entre los cuales se destacan las siguientes: • Las UPS poseen un puerto RS232 por el cual se obtiene información acerca de

los diferentes estados de la máquina y niveles eléctricos (corrientes y voltajes por cada fase, alarmas, niveles de los bancos de baterías, gráficas de desempeño y consumo), pero se presenta la limitante que se debe contar con la licencia del software para realizar la gestión de dicha máquina. Adicionalmente, cabe anotar que cada marca fabricante de UPS posee su propio software de gestión y estos no son compatibles entre diferentes fabricantes (MGE, APC, Powerware), y en la empresa se cuenta con una gran variedad de marcas; resultando una solución costosa y poco eficiente para los

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requerimientos específicos del caso, ya que se pretende tener una gestión centralizada de los nodos críticos de la empresa.

• En el mercado, empresas como CODENSA, EQUITEL S.A. y ENABLE

TECHNOLOGIES S.A ofrecen diferentes soluciones que contemplan la supervisión de la infraestructura eléctrica, las cuales han sido evaluadas por el departamento de infraestructura de la empresa, pero no se han considerado viables, dado los altos costos que estas requieren para su implementación y las limitantes que presentan los proyectos, pues en general en las propuestas se establecen un determinado número de entradas análogas y digitales, lo cual genera limitantes importantes para el esquema de los nodos propietarios.

De acuerdo a lo anteriormente expuesto y aprovechando que se conocen las condiciones de la empresa: la infraestructura específica de los nodos, la red global de datos, las limitantes y la forma en la cual se desea implementar el monitoreo, se planteó la clara posibilidad para generar un prototipo de un sistema integral, lo cual representa una alternativa muy eficiente para enfrentar los problemas que se vienen presentando a nivel eléctrico, ya que con un sistema de monitoreo que proporcione la información adecuada de los equipos de alimentación y de soporte eléctrico, se puede incrementar la calidad del servicio, reducir la probabilidad de fallas por infraestructura eléctrica, evitar daños en los equipos de comunicaciones y así mismo, reducir los costos de sostenimiento en infraestructura. El proyecto desarrollado se basa en una herramienta de visualización remota y local (haciendo énfasis en el monitoreo remoto, teniendo en cuenta la ubicación de la mayoría de los nodos de telecomunicaciones de la empresa) sobre los eventos que se generan en el sistema eléctrico, para así mismo actuar proactivamente y poder evitar grandes incidencias que afecten el tiempo de disponibilidad general de la red. La posibilidad de utilizar la misma red de transporte de la empresa representa una muy eficiente opción para el proyecto, ya que la comunicación con el sitio remoto era una de las grandes limitantes que se presentaba. Dentro del proyecto se plantean tres principales subsistemas que son muy importantes especificar ya que cada uno realiza una labor específica, pero deben estar perfectamente acoplados para el adecuado funcionamiento general del sistema. Estos subsistemas son: El subsistema de adquisición de señales, el cual es el encargado de tomar las señales externas y procesarlas para enviarlas para que sean analizadas en el punto de concentración; el subsistema de comunicación, que es por donde se va a transportar la información de monitoreo y consiste básicamente en la red de transporte de la empresa, contemplando los diferentes equipos que se ven involucrados y la correspondiente configuración de los canales para generar la comunicación requerida; y finalmente el subsistema de almacenamiento de datos el cual se encarga de realizar la manipulación de los datos enviados desde el subsistema de adquisición de señales y realizar la visualización correspondiente de los diferentes eventos que se generan.

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Es importante tener en cuenta que para el desarrollo del proyecto se están utilizando diferentes dispositivos de última generación que permiten realizar en conjunto un sistema muy eficiente y adaptativo frente a futuros cambios que se requieran. De esta manera se está manejando un esquema que permite realizar cambios y añadir otras medidas, sin dejar el sistema totalmente limitado a lo propuesto inicialmente; esto con el fin de tener el proyecto abierto a múltiples soluciones que se requieren hoy en día en cuanto a monitoreo y gestión de diferentes variables y esquemas. Comparando los proyectos desarrollados a nivel nacional relacionados con el monitoreo de la infraestructura eléctrica de nodos de telecomunicaciones, se encontró localmente un desarrollo4 que se está llevando a cabo actualmente en la Universidad El Bosque5 para monitorear una estación telefónica de la empresa Colombia Telecomunicaciones S.A., pero en general se encontraron diferencias marcadas en cuanto al esquema general, ya que en dicho proyecto se utiliza como medio de comunicación una línea telefónica para realizar conexiones conmutadas en caso de presentarse algún evento fuera de lo normal; adicionalmente, en el esquema de soporte eléctrico de dichas estaciones se trabaja con Inversores (AC/DC) donde se utiliza como elemento principal un banco de baterías que da soporte a la carga de la estación y el sistema desarrollado se enfoca en monitorear el desempeño del mismo, por tanto esta estructura no tiene en cuenta elementos tales como UPS, ni transferencia automática, lo cual lo diferencia en gran medida con el esquema desarrollado en este proyecto. En el departamento de Electrónica, de la facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana, se han desarrollado algunos trabajos de grado en los cuales se contempla monitoreo y gestión de diferentes variables a través de protocolos TCP/IP y transmisión serial RS232, entre los cuales se destacan: el trabajo de grado Prototipo de sistema para telemedición inalámbrica de servicios públicos domiciliarios6 y el trabajo de grado Corte de la energía eléctrica a nivel domiciliario a través de Internet7; pero ninguno que esté enfocado hacia el monitoreo de la infraestructura eléctrica de nodos de telecomunicaciones y adaptándose a las condiciones de la red de datos de una empresa específica, situación que aumentó el entusiasmo del grupo en desarrollar el tema propuesto para el trabajo de grado.

4 RODRIGUEZ, F., PEREZ, W. “Gestión de red de energía en red de Telecomunicaciones”. Bogotá. Trabajo de grado (Ing. Electrónico). Universidad El Bosque. Facultad de Ingeniería Electrónica. 5 www.unbosque.edu.co/ 6 GORDILLO, J., HERNÁNDEZ, G., PINZÓN, A. “Prototipo de sistema para telemedición inalámbrica de servicios públicos domiciliarios” Bogotá. Trabajo de Grado (Ing. Electrónico). Pontificia Universidad Javeriana. Facultad de Ingeniería. Carrera de Electrónica. 7 PADILLA, F., RAMÍREZ, G., “Corte de la energía eléctrica a nivel domiciliario a través de Internet” Bogotá. Trabajo de Grado (Ing. Electrónico). Pontificia Universidad Javeriana. Facultad de Ingeniería. Carrera de Electrónica.

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1. MARCO TEÓRICO 1.1. IP CONTROL

Son aplicaciones desarrolladas para permitir el monitoreo y control de sistemas a través de Internet. Servidores y Clientes de Internet programados especialmente para cumplir con las necesidades del cliente. Principalmente, están destinadas a proporcionar al usuario un vínculo remoto, que le permite conocer no tan solo el estado actual de un determinado componente de un sistema, sino también disponer de un amplio control en tiempo real, brindándole la posibilidad de efectuar ajustes, reprogramaciones, entrada y salida de servicio, seguimiento de desempeño, entre otras.

En el mundo de hoy, la automatización industrial ha tomado preponderancia con la implementación de sistemas electrónicos que otorgan capacidades, que hasta hace poco tiempo, eran insospechadas. El desarrollo de sistemas inteligentes integrados cada vez más a la vida cotidiana, tanto a nivel industrial como civil, posibilitan al usuario tener acceso a mayor cantidad de información y recursos en un mismo momento, potenciando así su capacidad de decisión y haciendo más eficiente su interacción con dispositivos cada vez más complejos.

Uno de los puntos clave en la interacción entre usuarios y sistemas, es la capacidad de comunicación que pueda existir entre ellos. Con la llegada del Internet, en estos últimos años, se ha facilitado enormemente el intercambio de información entre personas y gracias a tecnologías como IPControl hoy es posible la implementación de sistemas que intercambian información entre ellos y con los usuarios aunque éstos se encuentren en lugares distantes entre si.

El uso del Internet en la industria abre un amplio espectro de posibilidades como por ejemplo: En “industrias distribuidas” como puede ser la petrolífera, permite monitorear y controlar desde un solo centro remoto, grandes cantidades de puntos de sensado y ajuste ubicados en zonas muy distantes entre sí. Mantener una conectividad entre los distintos centros productores y complejos procesadores. Permitir el sensado de variables críticas en campo (pozos y ductos) y su comunicación a la central de control y servicio para realizar un eficaz mantenimiento y facilitando la proyección de cargas producción y balances. Gracias al avance de la tecnología, hoy es posible el uso de IPControl no sólo en bases y centros sino también en “campo”, mediante sistemas portátiles como los Notebooks, Internet inalámbrica, teléfonos satelitales, palms, GPS, que brindan al ingeniero una conectividad, acceso y comunicación permanentes con su base.

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En industrias y plantas con gran cantidad de maquinarias es una ventaja dotarlas con IPControl, dado que adquieren la capacidad de efectuar auto-mantenimiento, es decir, al formar parte de la red global, pueden actualizar constantemente sus bases de datos, mantener al día sus propios software de control efectuando actualizaciones en línea y además establecer un vínculo permanente con el departamento de mantenimiento tanto local como remoto para informarlo sobre fallas y hasta sugerir a través del envío de e-mails sus propios recambios de partes y fechas de servicios.

En síntesis, la implementación del Internet en la automatización industrial, requiere la actuación organizada de muchas áreas de la ingeniería, que hasta el momento no se habían integrado en gran medida, como son la Informática, Mecánica, Electrónica, etc., pero que juntas permiten diseñar soluciones altamente tecnológicas, donde no existe una pieza clave o fundamental, sino un “todo”, y que sólo cuando cada parte integrante de éste complejo funciona correctamente, se desarrolla su máximo potencial.

1.1.1. Evolución de las comunicaciones.

Muchas redes de automatización comenzaron con protocolos seriales sobre conexiones RS232 y RS485. Muchos diseños fueron mejorados con el paso del tiempo cuando las empresas desarrollaron sus propios medios, hardware y protocolos para lograr sistemas de automatización sobre varias topologías que fueran confiables y que cumplieran con requerimientos determinísticos. Esta mezcla de medios, hardware y protocolos juega un papel importante en las instalaciones actuales, pero su evolución ha creado problemas de interoperabilidad. La integración de redes e información puede ser compleja y costosa.

Afortunadamente la revolución de la informática ha alcanzado el mercado de la automatización. Grandes mejoras en la tecnología Ethernet están acabando con las limitaciones existentes que no permitían su uso en la automatización. Velocidad, solidez industrial, confiabilidad y mejoras determinísticas están ahora disponibles en soluciones Ethernet económicas, permitiendo incorporar las tecnologías mas diseminadas en los ambientes dinámicos de las aplicaciones. Los computadores y el Internet han impulsado el desarrollo comercial de las tecnologías Ethernet y TCP/IP y las compañías de automatización han abrazado estas tecnologías para construir las redes del futuro.

Muchas compañías tienen altísimas inversiones en dispositivos y protocolos propietarios. Para mantenerse al día con el cambio permanente de la tecnología es necesario invertir en procedimientos eficientes y flexibles que reduzcan costos. Hay una necesidad creciente de proveer información en tiempo real a individuos que no se encuentran localmente.

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No solo puede integrarse lo nuevo con lo viejo, sino que además puede añadir funcionalidad al sistema. La habilidad inherente a Ethernet de múltiple acceso facilita la manipulación de datos provenientes de los equipos antiguos en la planta. Aplicaciones de alto nivel como Manufacturing Execution Systems (MES) pueden obtener información en tiempo real sin cambiar el sistema de automatización existente.

1.2. COMUNICACIONES [10]

1.2.1. Red de Datos Se define una red de datos como el conjunto de computadores, equipos de comunicaciones y otros dispositivos que se pueden comunicar entre sí, a través de un medio en particular. Se utilizan en general, para compartir recursos y ahorrar dinero, aumentar la disponibilidad de la información y permitir el acceso a la información a una gran cantidad de usuarios (Internet). Las características principales se describen a continuación:

1. La información debe ser entregada de manera confiable y sin daños en los datos.

2. La información debe entregarse de manera consistente. 3. Los equipos que forman la red deben ser capaces de identificarse entre sí. 4. Debe existir una manera estandarizada de nombrar e identificar las partes

de la red.

1.2.2. Clasificación de las Redes

1.2.2.1. Clasificación por Tecnología de Transmisión

• Redes de Difusión (Broadcasting): Existe un solo canal o medio de comunicación, que es compartido por todos los dispositivos de la red.

• Redes de Punto-a-Punto: Consisten en múltiples conexiones entre pares individuales de máquinas.

En la Figura 2 se observan redes de difusión donde se conectan varios computadores, servidores o enrutadores a un mismo medio y también se ilustran en la misma figura, redes punto a punto que se muestra entre las conexiones entre enrutadores.

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Figura 2: Ejemplo de Clasificación de Redes por tecnología de transmisión.

1.2.2.2. Clasificación por Escala

1.2.2.2.1. Red LAN La red LAN es el punto de contacto de los usuarios finales. Su propósito principal es la de intercambiar información entre grupos de trabajo y compartir recursos tales como impresoras y discos duros de diferentes equipos. Se caracterizan por tres factores: extensión (de unos cuantos metros hasta algunos kilómetros), su tecnología de transmisión (cable de par trenzado UTP o coaxial, fibra óptica, portadoras con infrarrojo o láser, radio y microondas en frecuencias no comerciales) y su topología (anillo, bus único o doble, estrella, árbol y completas). Las velocidades en las redes LAN van desde los 10 Mbps hasta 622 Mbps. Los estándares más comunes son el IEEE 802.3 llamado Ethernet y el IEEE 802.5 llamado Token Ring. Ethernet opera entre 10 y 1000 Mbps. En este estándar, todos los nodos escuchan todos los paquetes que circulan por la red, sacan una copia y examinan el destinatario. Si el destinatario es el nodo mismo, lo procesa y si no lo descarta para escuchar el siguiente. Para enviar un paquete sensa el medio para saber si está libre; de ser así procede a enviar el dato. Si ocurre que dos nodos enviaron un paquete al mismo tiempo, se provoca una colisión y cada nodo vuelve a retransmitir su paquete después de esperar un tiempo aleatorio. Token Ring opera entre 4 y 16 Mbps y utiliza un token o testigo, que permite al nodo que lo posee, enviar paquetes a la red mientras los otros escuchan. Una vez que un nodo termina de enviar paquetes, pasa el token a otro nodo para que éste transmita.

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1.2.2.2.2. Red MAN Corresponde es una versión más grande de una LAN en cuanto a topología, protocolos y medios de transmisión, que por ejemplo puede cubrir un conjunto de oficinas corporativas o empresas en una ciudad. En general, cualquier red de datos, voz o video con una extensión de una a varias decenas de kilómetros puede ser considerada una MAN. El estándar IEEE 802.6 define un tipo de MAN llamado DQDB que usa dos cables half-duplex por los cuales se recibe y transmiten voz y datos entre un conjunto de nodos. Un aspecto típico de las MAN es que el medio físico es de difusión, lo que simplifica el diseño de la red.

1.2.2.2.3. Red WAN Son redes que se expanden en una gran zona geográfica, por ejemplo, un País o continente. Los beneficiarios de estas redes son los que se ubican en nodos finales que son quienes corren aplicaciones de usuario. A la infraestructura que une los nodos de usuarios se le llama subred y abarca diversos aparatos de red (llamados routers o enrutadores) y líneas de comunicación que unen las diversas redes. En la mayoría de las WAN se utilizan una gran variedad de medios de transmisión para cubrir grandes distancias. La transmisión puede efectuarse por microondas, por cable de cobre, fibra óptica o alguna combinación de los anteriores. Sin importar el medio, los datos en algún punto se convierten e interpretan como una secuencia de unos y ceros para formar tramas de información, luego estas tramas son ensambladas para formar paquetes y los paquetes a su vez construyen archivos o registros específicos de alguna aplicación.

1.2.3. Modelos de Referencia [23]

1.2.3.1. El Modelo OSI La ISO ha definido un modelo de 7 capas que describe cómo se transfiere la información desde una aplicación de software a través del medio de transmisión hasta una aplicación en otro elemento de la red. A continuación se describen brevemente, las características de cada capa del modelo OSI:

1.2.3.1.1. Capa Física La capa física tiene que ver con el envío de bits en un medio físico de transmisión y se asegura que éstos se transmitan y reciban libres de errores. También describe los factores eléctricos y mecánicos asociados con el medio y los conectores, así como los tiempos aprobados para enviar o recibir una señal.

9

También especifica si el medio permite la comunicación simplex8, half duplex9 o full duplex10.

1.2.3.1.2. Capa de Enlace En esta capa se toman los bits que entrega la capa física y los agrupa en algunos cientos o miles de bits para formar las tramas. En este nivel se realiza una verificación de errores y se devuelve una confirmación positiva11 al emisor. La Capa de Enlace es la encargada de detectar si una trama se pierde o se daña en el medio físico. De ser éste el caso, debe de retransmitirlo, aunque en ocasiones dicha operación provoca que una misma trama se duplique en el destino, lo que obliga a esta capa a detectar tal anomalía y corregirla. En este nivel se decide cómo acceder el medio físico.

1.2.3.1.3. Capa de Red Se encarga de controlar la operación de la subred. Su tarea principal es decidir cómo hacer que los paquetes lleguen a su destino, dados un origen y un destino en un formato predefinido por un protocolo. Otra función importante en este nivel es la resolución de cuellos de botella. En estos casos se pueden tener varias rutas para dar salida a los paquetes y en base a algunos parámetros de eficiencia o disponibilidad se eligen rutas dinámicas de salida.

1.2.3.1.4. Capa de Transporte La obligación de la capa de transporte es tomar datos de la capa de sesión y asegurarse que dichos datos llegan a su destino. En ocasiones los datos que vienen de la capa de sesión exceden el tamaño máximo de transmisión (Maximum Transmission Unit o MTU) de la interfaz de red, por lo cual es necesario partirlos y enviarlos en unidades más pequeñas, lo que origina la fragmentación y ensamblado de paquetes cuyo control se realiza en esta capa. Otra función en esta capa es la de multiplexar varias conexiones que tienen diferentes capacidades de transmisión para ofrecer una velocidad de transmisión adecuada a la capa de sesión. La última labor importante de la capa de transporte es ofrecer un mecanismo que sirva para identificar y diferenciar las múltiples conexiones existentes, así como determinar en qué momento se inician y se terminan las conversaciones (esto es llamado control de flujo).

8 Comunicación simplex: Comunicación en un solo sentido. 9 Comunicación half duplex: Solo uno de los nodos puede transmitir a la vez. 10 Comunicación full duplex: Ambos nodos extremos pueden transmitir a la vez. 11 Llamadas usualmente ACKNOWLEDGE

10

1.2.3.1.5. Capa de Sesión Esta capa establece, administra y finaliza las sesiones de comunicación entre las entidades de la capa de presentación. Las sesiones de comunicación constan de solicitudes y respuestas de servicio que se presentan entre aplicaciones ubicadas en diferentes dispositivos de red. Estas solicitudes y respuestas están coordinadas por protocolos implementados en esta capa. Otro servicio de este nivel es la sincronización y el establecimiento de puntos de chequeo. Por ejemplo, si se hace necesario transferir un archivo muy grande entre dos nodos que tienen una alta probabilidad de sufrir una caída, es lógico pensar que una transmisión ordinaria nunca terminaría porque algún interlocutor se caería y se perderá la conexión. La solución es que se establezcan cada pocos minutos un punto de chequeo de manera que si la conexión se rompe más tarde se pueda reiniciar a partir del punto de chequeo, lo cual ahorrará tiempo y permitirá tarde o temprano la terminación de la transferencia.

1.2.3.1.6. Capa de Presentación La capa de presentación provee servicios que permiten transmitir datos con alguna sintaxis propia para las aplicaciones o para el nodo en que se está trabajando. Como existen computadores que interpretan sus bytes de una manera diferente que otras, es en esta capa donde es posible convertir los datos a un formato independiente de los nodos que intervienen en la transmisión.

1.2.3.1.7. Capa de Aplicación En esta capa se encuentran aplicaciones de red que permiten explotar los recursos de otros nodos. Dicha explotación se hace, por ejemplo, a través de emulación de terminales que trabajan en un nodo remoto, interpretando una gran variedad de secuencias de caracteres de control que permiten desplegar en el terminal local los resultados, aún cuando éstos sean gráficos. Una situación similar se da cuando se transmiten archivos de un computador que almacena sus archivos en un formato dado a otro, que usa un formato distinto. Es posible que el programa de transferencia realice las conversiones necesarias de manera que el archivo puede usarse inmediatamente bajo alguna aplicación.

11

Figura 3: Comparación entre los Modelos OSI y TCP/IP

1.2.3.2. El Modelo TCP/IP El departamento de defensa de Estados Unidos de América definió un conjunto de reglas que establecieron cómo conectar computadoras entre sí para lograr el intercambio de información, soportando incluso desastres mayores en la subred. Fue así como se definió el conjunto de protocolos de TCP/IP. Para los años 80 una gran cantidad de instituciones estaban interesadas en conectarse a esta red que se expandió por todo EE.UU. El modelo TCP/IP consta solamente de 4 capas, las cuales se describen a continuación:

1.2.3.2.1. Capa Host a Red La capa inferior, se relaciona con la capa física respecto del modelo OSI, y contiene varios estándares del IEEE como el 802.3 llamado Ethernet que establece las reglas para enviar datos por cable coaxial delgado (10Base2), cable coaxial grueso (10Base5), par trenzado (10Base-T), fibra óptica (10Base-F) y su propio método de acceso al medio físico. El 802.4 llamado Token Bus que puede usar estos mismos medios, pero con un método de acceso diferente y otros estándares denominados genéricamente como 802.X.

1.2.3.2.2. Capa de Red Esta capa cumple junto con la anterior, los niveles 1, 2 y 3 del modelo OSI. En este nivel se definió el protocolo IP cuya responsabilidad es entregar paquetes en los destinos indicados, realizando las operaciones apropiadas de enrutamiento y la solución de problemas como congestión o caídas de enlaces.

1.2.3.2.3. Capa de Transporte Está formada por dos protocolos: TCP y UDP. El primero es un protocolo confiable y orientado a conexión, lo que significa que ofrece un medio libre de errores para

12

enviar paquetes. El segundo es un protocolo no orientado a conexión el cual no ofrece las garantías y confiabilidad del TCP.

1.2.3.2.4. Capa de Aplicación En la última capa se encuentran decenas de aplicaciones ampliamente conocidas

s son los protocolos WWW, FTP, telnet, DNS, el

.2.4. CONCEPTOS BASICOS [12]

Es un conjunto de reglas que indican cómo se debe llevar a cabo un intercambio

dos o más nodos en una red puedan

.2.4.2. Interfaz eparación o división entre dos capas de un modelo de

s la encargada de definir las operaciones básicas y los servicios

.2.4.3. Servicios provee al nivel superior. En otras

é operaciones puede ejecutar la capa, pero no especifica cómo

.2.4.4. Entidades ada nivel del modelo. Una entidad puede ser un

) o hardware (un chip).

e ervicios que usa de otra capa. De esta manera, se identifica como usuario de

to donde se uede pedir el servicio se llama punto de acceso al servicio o SAP. En cada capa,

actualmente. Las más populareservicio de correo electrónico (SMTP), etc.

1

1.2.4.1. Protocolo de comunicación

de datos o información. Para que intercambiar información es necesario que manejen el mismo conjunto de reglas, es decir, un mismo protocolo de comunicaciones.

1Corresponde a la scomunicación, y eque el nivel inferior ofrece a la capa superior del modelo.

1Son un conjunto de operaciones que un nivel palabras, define quson implementadas estas operaciones.

1Son los elementos activos en csoftware (un proceso Cada capa tiene un conjunto de operaciones que realizar y un conjunto dsservicio a la capa que solicita un servicio y como proveedor a quien la da. Cuando una entidad se comunica con otra ubicada en la misma capa pero en diferentes nodos se dice que se establece comunicación entre entidades pares. Cada capa tiene un conjunto de servicios que ofrecer, el punto exacp

13

la entidad activa recibe un bloque de datos consistente de un encabezado que tiene significado para el protocolo de esa capa y un cuerpo que contiene datos para ser procesados por esa entidad o que van dirigidos a otra capa. Las capas ofrecen servicios de dos tipos: orientadas a la conexión y no orientadas la conexión. Además, cada uno de estos servicios puede ser caracterizado por la

.2.4.5. Servicios orientados a conexión ente debe establecerse una conexión

antes de que cualquier dato pueda

.2.4.6. Servicios no orientados a conexión

paquetes de datos que componen

.2.4.7. Servicio confiable Un servicio es confiable si ofrece una transmisión de datos libre de errores. Para

rotocolo debe incluir mecanismos para detectar y/o

.2.4.8. Servicio no confiable Un servicio es no confiable si el protocolo no asegura que la transmisión está libre

d del protocolo de una capa superior (o de la

acierta calidad de servicio que ofrecen. Así, se pueden tener servicios confiables y servicios no confiables.

1Es un tipo de servicio en el que obligatoriamo camino, entre el origen y el destino transmitirse. Los servicios orientados a conexión se caracterizan porque cumplen tres etapas en su tiempo de vida: negociación del establecimiento de la conexión (etapa 1), sesión de intercambio de datos (etapa 2) y negociación del fin de la conexión (etapa 3). Los servicios orientados a la conexión pueden ser considerados como “alambrados”, es decir, que existe una conexión alambrada entre los dos interlocutores durante el tiempo de vida de la conexión.

1Los servicios no orientados a conexión carecen de las tres etapas antes descritasy en este caso, los interlocutores envían todosuna parte del diálogo por separado, pudiendo éstos llegar a su destino en desorden y por diferentes rutas. Es responsabilidad del destinatario ensamblar los paquetes, pedir retransmisiones de los paquetes que se dañaron y darle coherencia al flujo recibido.

1

cumplir este requisito, el pcorregir errores. La corrección de errores puede hacerse con información que está incluida en un paquete dañado o pidiendo su retransmisión al interlocutor. También es común que incluya mecanismos para enviar acuses de recibo cuando los paquetes llegan correctamente.

1

de errores y es responsabilidaaplicación) la detección y corrección de errores si esto es pertinente o estadísticamente justificable.

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A un servicio que es a la vez no orientado a la conexión y no confiable se le conoce como servicio de datagramas. Un servicio que es no orientado a la

.2.5. Protocolos LAN s de alta velocidad tolerante a fallas, que cubre un

ente pequeña. Generalmente conectan estaciones de

LAN se pueden dividir en:

ue están los estándares IEEE 802.3, IEEE 802.4 y IEEE 802.5.

et.

El término Ethernet se refiere a la familia de implementaciones LAN que incluyen tres categorías Ethernet e IEEE 802.3, Ethernet a 100 Mbps y Ethernet a 1000

conexión pero que incluye acuse de recibo se conoce como servicio de datagramas con acuse de recibo. Un tercer tipo de servicio se le llama con solicitud de respuesta si consiste de un servicio no orientado a conexión y por cada envío de datos se espera una respuesta inmediata antes de enviar el siguiente bloque de datos.

1Una LAN es una red de datoárea geográfica relativamtrabajo, impresoras, computadoras, etc. permitiendo el acceso compartido a dispositivos y aplicaciones, intercambio de archivos, entre otras aplicaciones posibles. Las redes

• LAN tradicionales entre las q

• LAN rápidas entre las que cuentan FastEthernet, 100VGAnyLAN, FDDI, ATM y Gigabit Ethern

• LAN inalámbricas.

Mbps. De lo anterior se desprende que existe una diferencia entre Ethernet e IEEE 802.3, ya que el primero especifica las capas 1 y 2 del modelo OSI, en cambio, IEEE 802.3 especifica la capa física y la subcapa MAC no definiendo la subcapa LLC (estándar IEEE 802.2), que es común para IEEE 802.5, 100BaseT, etc. Estas diferencias se aprecian en la siguiente Figura 4:

Figura 4: Relación Entre el Modelo OSI y los Protocolos LAN.

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1.2.5.1. Topologías Las topologías típicas de una red LAN se pueden observar en la Figura 5. Las topologías mostradas son topologías lógicas, por lo que no necesariamente deben ser topologías físicas de conexión.

Figura 5: Topologías Típicas de una red LAN. a) Bus b) Anillo c) Estrella d) Árbol

1.2.5.2. El Medio Físico Los medios de transmisión más utilizados en una LAN son el cable coaxial grueso y delgado, par trenzado y fibra óptica. Estos medios de transmisión son llamados guiados, a diferencia de los no guiados como los enlaces de radio, de microondas o satelitales.

1.2.5.2.1. Cable Coaxial Consiste en un cable conductor interno cilíndrico separado de otro cable conductor externo por anillos aislantes o por un aislante macizo. Esto se recubre por otra capa aislante que es la funda del cable. Este medio físico, es más caro que el par trenzado, pero se puede utilizar a más larga distancia, con velocidades de transmisión superiores, menos interferencias y permite conectar más estaciones.

Figura 6: Cable Coaxial Se suele utilizar para televisión, telefonía a larga distancia, LAN, conexión de periféricos a corta distancia, etc. Se utiliza para transmitir señales analógicas o

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digitales. Sus inconvenientes principales son: atenuación, ruido térmico, ruido de intermodulación. Para señales analógicas, se necesita un amplificador cada pocos kilómetros y para señales digitales un repetidor cada kilómetro.

1.2.5.2.2. Par Trenzado Se trata de dos hilos de cobre aislados y trenzados entre sí, y envueltos por una cubierta protectora. Los hilos están trenzados para reducir las interferencias electromagnéticas con respecto a los pares cercanos que se encuentran a su alrededor (dos pares paralelos constituyen una antena simple, en tanto que un par trenzado no). Se pueden utilizar tanto para transmisión analógica como digital, y su ancho de banda depende de la sección de cobre utilizada y de la distancia que tenga que recorrer.

Figura 7: Cable Par Trenzado Se trata del cableado más económico y la mayoría del cableado telefónico es de este tipo. Presenta una velocidad de transmisión que depende del tipo de cable de par trenzado que se esté utilizando. Está dividido en categorías por el EIA/TIA:

• Categoría 1: Hilo telefónico trenzado de calidad de voz no adecuado para las transmisiones de datos. Velocidad de transmisión inferior a 1 Mbps.

• Categoría 2: Cable de par trenzado sin apantallar. Su velocidad de transmisión es de hasta 4 Mbps.

• Categoría 3: Velocidad de transmisión de 10 Mbps. Con este tipo de cables se implementan las redes Ethernet 10BaseT.

• Categoría 4: La velocidad de transmisión llega a 16 Mbps. • Categoría 5: Puede transmitir datos hasta 100 Mbps. Tiene una longitud

máxima limitada y a pesar de los aspectos negativos, es una opción a tener en cuenta debido a que ya se encuentra instalado en muchos edificios como cable telefónico y esto permite utilizarlo sin necesidad de cambiar el cableado. Además, resulta fácil de combinar con otros tipos de cables para la extensión de redes.

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Existen dos tipos de pares trenzados, los apantallados o STP y los sin pantallar o UTP. Los pares sin apantallar son los más baratos aunque menos resistentes a interferencias. A velocidades de transmisión bajas, los pares apantallados son menos susceptibles a interferencias, aunque son más caros y más difíciles de instalar.

1.2.5.2.3. Fibra Óptica Se trata de un medio muy flexible y muy fino que conduce energía de naturaleza óptica. Su forma es cilíndrica con tres secciones radiales: núcleo, revestimiento y cubierta. El núcleo está formado por una o varias fibras muy finas de cristal o plástico. Cada fibra está rodeada por su propio revestimiento que es un cristal o plástico con diferentes propiedades ópticas distintas a las del núcleo. Alrededor de esto está la cubierta, constituida de material plástico o similar, que se encarga de aislar el contenido de aplastamientos, abrasiones, humedad, etc.

Figura 8: Fibra Óptica Sus beneficios frente a cables coaxiales y pares trenzados son:

• Permite mayor ancho de banda. • Menor tamaño y peso. • Menor atenuación. • Aislamiento electromagnético. • Mayor separación entre repetidores.

Su rango de frecuencias es todo el espectro visible y parte del infrarrojo. El método de transmisión es el siguiente: los rayos de luz inciden con una gama de ángulos diferentes posibles en el núcleo del cable, entonces sólo una gama de ángulos conseguirán reflejarse en la capa que recubre el núcleo. Son precisamente esos rayos que inciden en un cierto rango de ángulos los que irán rebotando a lo largo del cable hasta llegar a su destino. A este tipo de propagación se le llama multimodal. Si se reduce el radio del núcleo, el rango de ángulos disminuye hasta que sólo sea posible la transmisión de un rayo, el rayo axial, y a este método de transmisión se le llama monomodal. Los inconvenientes del modo multimodal es que debido a que dependiendo al ángulo de incidencia de los rayos, estos tomarán caminos diferentes y tardarán más o menos tiempo en llegar al destino, con lo que se puede producir una

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distorsión (rayos que salen antes pueden llegar después). Debido a esto, se limita la velocidad de transmisión posible. Hay un tercer modo de transmisión que es un paso intermedio entre los anteriormente comentados y que consiste en cambiar el índice de refracción del núcleo. A este modo se le llama multimodo de índice gradual. Los emisores de luz utilizados son: LED (de bajo costo, con utilización en un amplio rango de temperaturas y con larga vida media) e ILD (más caro, pero más eficaz y permite una mayor velocidad de transmisión).

1.2.5.2.4. Enlaces de Radio Las ondas de radio tienen como principales características que son fáciles de generar, pueden viajar distancias largas, y penetran edificios fácilmente. Además, son omnidireccionales, lo que significa que ellas viajan en todas las direcciones desde la fuente, para que el transmisor y receptor no tengan que estar físicamente alineados con cuidado. Las propiedades de ondas son dependientes de la frecuencia. A frecuencias bajas, atraviesan bien obstáculos, pero el poder baja enormemente cuando se aleja de la fuente. A frecuencias altas, las ondas tienden a viajar en líneas rectas y rebotar cuando consiguen obstáculos. Ellas también son absorbidas por la lluvia. A cualquier frecuencia, las ondas están sujetas a interferencia de los motores y otros equipos eléctricos. El problema principal que se presenta al usar estas bandas para comunicación de datos es el ancho de banda relativamente bajo que ellas ofrecen. Debido a la habilidad de radio de viajar grandes distancias, la interferencia entre los usuarios es un problema. Por esta razón, todos los gobiernos licencian al usuario de transmisores de radio.

1.2.5.2.5. Enlaces de Microondas Por encima de los 100 MHz, las ondas viajan en líneas rectas y pueden enfocarse estrechamente concentrando toda la energía en un haz pequeño usando. Con una antena parabólica se obtiene una razón señal a ruido bastante alta, permitiendo la comunicación, pero las antenas transmisoras y receptoras deben alinearse con precisión entre sí. Además, esta direccionalidad permite que múltiples transmisores sean alineados seguidamente para comunicarse con múltiples receptores seguidos sin interferencia.

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Puesto que las microondas viajan en una línea recta, si las torres están demasiado separadas, la Tierra estará en el camino (recordar la curvatura del planeta). Por consiguiente, se necesitan repetidoras periódicamente. Mientras más altas sean las torres, más distantes pueden estar. La distancia entre las repetidoras sube muy bruscamente con la raíz cuadrada de la altura de la torre. Para torres con altura de 100 metros, las repetidoras pueden estar separadas entre sí unos 80 Km. Este hecho las hace ser relativamente baratas. A diferencia de las ondas a bajas frecuencias, las microondas no atraviesan bien edificios. Más aún, aunque el haz pueda enfocarse bien al transmisor, hay todavía alguna divergencia en el espacio. Algunas ondas pueden refractarse por capas atmosféricas bajas y pueden tomar ligeramente más tiempo en llegar que las ondas directas. Las ondas retrasadas pueden llegar fuera de fase con la onda directa y por lo tanto cancelar la señal. La comunicación por microondas se usa ampliamente para la comunicación telefónica a larga distancia, telefonía celular y distribución de la televisión.

1.2.5.2.6. Enlaces Satelitales Un satélite de comunicación puede ser pensado como un repetidor de microondas en el cielo. Contiene diversos transpondedores, cada uno de los cuales escucha alguna porción del espectro, amplifica la señal entrante, y hace una difusión de vuelta en otra frecuencia para evitar interferencia con la señal que entra. Los rayos que bajan son anchos o angostos, pudiendo cubrir grandes o pequeñas superficies de la tierra, respectivamente. Los enlaces satelitales se diferencian de los enlaces punto a punto terrestres en que los retardos producto de las distancias involucradas son considerables, típicamente 270 ms. Esto es bastante en comparación con los 3 µseg/Km de los enlaces de microondas y los 5 µseg/Km del coaxial o la fibra. Otra diferencia es que los satélites son por naturaleza elementos de difusión, lo que es útil en algunos casos, pero en otros como la seguridad, no lo es. Otras características son que el costo de una transmisión es independiente de la distancia y que tienen una tasa de error muy baja.

1.2.6. Dispositivos LAN [10]

1.2.6.1. Repetidores Son dispositivos activos de solamente dos puertas que permiten interconectar dos medios de comunicación con el objeto de amplificar y reformar los pulsos constituyentes de la señal.

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Usualmente se utilizan para extender la longitud de los cables en una LAN o conectar medios de tipo diferente, generando una LAN única más extensa. Los repetidores interconectan las LAN al nivel del nivel ISO más bajo, el nivel físico. Esto significa, que los repetidores pueden sólo conectar LAN idénticas, tales como Ethernet/802.3 a Ethernet/802.3 o Token Ring a Token Ring. Los repetidores Ethernet/802.3 dejan pasar todos los frames, para así asegurar que todos los hosts respeten el método de detección de colisión. Una LAN puede contener múltiples segmentos de cable y múltiples repetidores, en IEEE 802.3 se permiten máximo 4. Los repetidores Ethernet/802.3 pueden tener sus puertas idénticas o incluir combinaciones de los diferentes tipos permitidos por la norma IEEE 802.3. Con esto, permiten interconectar segmentos diferentes. Cuando una colisión es detectada, el repetidor también coloca una señal llamada jamming para asegurar que todos los otros dispositivos se percaten que ha ocurrido una colisión. El detector de jam cuenta el número de colisiones consecutivas, y si ésta excede un valor predefinido, entonces el repetidor desactiva el segmento. Si se recibe una trama desde ese segmento de red, el repetidor lo reactiva automáticamente. De esta forma, segmentos con problemas son desconectados y segmentos válidos reconectados en forma dinámica.

1.2.6.2. Hubs Un hub permite derivar desde un segmento único varios segmentos del mismo u otro tipo, y así estructurar una LAN en mejor forma. Los hub pueden ser pasivos o activos. En los activos se incluyen las funciones básicas de un repetidor. En una red Ethernet/IEEE 802.3 los hub típicamente permiten crear derivaciones desde una red 10Base5 a múltiples segmentos 10Base2 (hub de coaxial), para implementar conexiones multipunto, o bien crean conexiones desde una red 10Base2 a múltiples segmentos 10BaseT (hub UTP). Se puede decir entonces, que los hubs 10BaseT son realmente repetidores multipuerta.

1.2.6.3. Bridges Existen muchas circunstancias en las que no se quiere o no se puede tener una sola LAN. Por ejemplo:

1. Se dispone de un par de LANs diferentes (una Token Ring y una Ethernet) y desean conectarse.

2. Se necesita cubrir una distancia mayor a la que puede cubrirse con una LAN.

3. Se quieren conectar más nodos de los que se permiten en una LAN.

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4. Se desea evitar que un problema en un nodo pueda colapsar toda la red, pues por ejemplo en Ethernet, una tarjeta en mal estado puede inutilizar toda la red.

En estos casos, es posible tener múltiples redes locales interconectadas mediante el uso de dispositivos llamados bridges o puentes. Los bridges se encargan de capturar los frames de una LAN, y reenviarlos selectivamente a otra LAN. Para esto, analizan la dirección de origen y destino del frame a nivel MAC. De acuerdo a la función que desempeñan, los bridges se pueden clasificar en: puentes transparentes, puentes remotos, puentes traductores o puentes con encaminamiento desde el origen.

1.2.7. Protocolo IP [28] Internet es un conjunto de redes diferentes que comparten una pila de protocolos comunes. Cada una de estas redes es administrada por una entidad diferente: universidades, redes académicas nacionales, ISPs (Internet Service Providers), operadores, empresas multinacionales, etc. como consecuencia de esto las políticas de uso son muy variadas. Técnicamente a nivel de red Internet puede definirse como un conjunto de redes o sistemas autónomos conectados entre sí que utilizan el protocolo de red IP. IP es una red de datagramas, no orientada a conexión, con servicio “best effort”, es decir, que no ofrece QoS12. La entrega de los paquetes no está garantizada ya que en momentos de congestión éstos pueden ser descartados sin previo aviso por los routers que se encuentren en el trayecto. En una red IP toda la información viaja en paquetes o datagramas IP. Esto es: cualquier información de control que tenga que intercambiarse (routing dinámico, mensajes de error, etc.) y los datos de nivel superior.

Figura 9: Encabezado del Paquete IP 12 QoS: Quality of Service (Calidad de servicio)

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El paquete IP (ver Figura 9) tiene dos partes: encabezado y texto. El encabezado tiene una parte fija de 20 bytes y una opcional de entre 0 y 40 bytes, pero siempre es un múltiplo de 4. Los campos son los siguientes: Versión: 4 bits que permiten codificar los valores de las distintas versiones de IP. La versión actualmente es la 4, pero se empezó ya a extender el uso de la versión 6 con una estructura de paquete diferente a la de la figura. IHL: 4 bits que especifican la longitud del encabezado, pues éste puede variar debido a la presencia de campos opcionales. Se codifica en palabras de 32 bits, donde la longitud mínima es 5 y la máxima 15, que equivale a 40 bytes de información opcional. La longitud del encabezado siempre es un múltiplo de 32 bits, por lo que se puede añadir un relleno al final del encabezado. Tipo de Servicio: 8 bits. Permite establecer qué calidad de servicio requiere el paquete. Se pueden establecer varios tipos de confiabilidad y velocidad (por ejemplo, rapidez en vez de confiabilidad para aplicaciones como audio o video, confiabilidad para transferencia de archivos, etc.). Este campo tiene subcampos de importancia: P (precedencia) son 3 bits de prioridad, un Flag tres bits D, T y R que permite especificar qué importa más Retardo, Throughput o Confiabilidad. Recientemente, el campo Differentiated Services ha sustituido a éste. Su finalidad es implementar QoS en redes IP mediante la arquitectura denominada Servicios Diferenciados o Diffserv. Largo Total: 16 bits que especifican la longitud del paquete completo, encabezado incluido, en bytes. Identificación: 16 bits. Este campo permite al destino determinar a qué paquete pertenece el fragmento que recientemente ha llegado a él. Está relacionado con la fragmentación de paquetes. DF: 1 bit, que indica no fragmentar el paquete. MF: 1 bit, indica que vienen más fragmentos. Todos los fragmentos del paquete, salvo el último, tienen este bit en 1. Offset del Fragmento: 13 bits para indicar a qué parte del paquete total pertenece el fragmento que se está recibiendo. TTL: 8 bits que permiten descartar un paquete una vez que ha dado un número excesivo de saltos o ha pasado un tiempo excesivo viajando por la red. Es un contador regresivo que indica el tiempo de vida restante del datagrama medido en segundos, de forma que si su valor llega a cero el paquete debe ser descartado. Esto permite evitar que se produzcan loops y un paquete pueda permanecer

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“flotando” indefinidamente en la red. Como no es trivial calcular con precisión el tiempo que un paquete emplea en el tránsito entre dos enrutadores, en la práctica lo que se hace es restar el TTL en uno por cada salto, y en el caso de que el datagrama se encuentre durante más de un segundo esperando en un enrutador, se resta uno por cada segundo de espera. Como los paquetes casi nunca están más de un segundo en un enrutador, en la práctica este parámetro funciona como un contador de saltos. En el caso de producirse fragmentación, el host receptor puede retener datagramas durante varios segundos, mientras espera a recibir todos los fragmentos. En este caso, el host restará uno del TTL por cada segundo de espera, pudiendo llegar a descartar paquetes por este motivo. Los valores de TTL típicos están entre 40 y 64. Protocolo: 8 bits que especifican a qué protocolo de nivel de transporte corresponde el paquete. La tabla de protocolos válidos y sus correspondientes números son controlados por el IANA (Internet Assigned Number Authority) la tabla 6 muestra algunos de los posibles valores de este campo. Llama la atención el valor 4 de la tabla x que está reservado para el uso de IP para transportar IP, es decir, al encapsulado de un paquete IP dentro de otro. Esta técnica permite realizar enrutamiento desde el origen de los paquetes encapsulando el paquete en otro dirigido al nodo intermedio por el que se quiere pasar. Checksum: 16 bits que sirven para detectar errores en el encabezado del paquete. El checksum permite evitar al paquete de una alteración en alguno de los campos del encabezado que pudiera producirse, por ejemplo, por un problema de hardware en un enrutador. El checksum sólo cubre el encabezado del paquete, no los datos. El campo checksum se ha de recalcular en cada salto, ya que al menos el TTL cambia. Notar que en routers con alto tráfico, el recálculo del checksum supone un inconveniente desde el punto de vista de rendimiento. Dirección Fuente: 32 bits que corresponden a la dirección IP origen. Dirección Destino: 32 bits que corresponden a la dirección IP destino. Opciones: campo de longitud variable que no siempre está soportado en los enrutadores y se utiliza muy esporádicamente. Fue diseñado para permitir expansiones al protocolo, experimentos, etc. Las opciones son de tamaño variable, comenzando siempre por un byte de codificación, y siempre son rellenadas a múltiplos de 4 bytes. Entre las opciones destacables están Record Route que pide a cada enrutador por el que pasa el paquete que anote en el encabezado su dirección, obteniéndose un trazado de la ruta seguida (debido a la limitación a un máximo de 40 bytes en la parte opcional del encabezado, como máximo pueden registrarse 9 direcciones). Timestamp actúa de manera similar a record route, pero además de anotar la dirección IP de cada enrutador atravesado se anota en otro campo de 32 bits el instante en que el paquete pasa por dicho enrutador. El uso de dos campos de 32 bits aumenta el problema antes

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mencionado del poco espacio disponible para grabar esta información. Source Routing permite al emisor especificar la ruta que debe seguir el paquete hasta llegar a su destino. Existen dos variantes: strict source routing que especifica la ruta exacta salto a salto, de modo que si en algún caso la ruta marcada no es factible por algún motivo se producirá un error. La segunda es loose source routing donde se dicen los enrutadores por los que debe pasar el paquete, pero se da libertad a la red para que use otros enrutadores cuando lo considere conveniente. La limitación en la longitud de las opciones impone un límite máximo en el número de saltos que pueden especificarse. El uso de los campos opcionales del encabezado IP tiene generalmente problemas de rendimiento, ya que las implementaciones de los enrutadores optimizan el código para las situaciones normales, es decir, para paquetes sin campos opcionales. Las opciones están implementadas y funcionan, pero lo hacen generalmente de forma poco eficiente ya que en el diseño del software no se ha hecho énfasis en su optimización.

Tabla 1: Algunos valores y significados del campo Protocolo en un paquete IP

1.2.7.1. Fragmentación El tamaño de un paquete IP se especifica en un campo de dos bytes, por lo que su valor máximo es de 65535 bytes. Sin embargo, muy pocos protocolos o tecnologías a nivel de enlace admiten enviar tramas de semejante tamaño. Normalmente el nivel de enlace no fragmenta, por lo que tendrá que ser IP el que adapte el tamaño de los paquetes para que quepan en las tramas del nivel de enlace. Por lo tanto, en la práctica el tamaño máximo del paquete viene determinado por el tamaño máximo de la trama característica de la red utilizada.

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Este tamaño máximo de paquete se conoce como MTU o Maximum Transfer Unit. La tabla x muestra algunos valores característicos de MTU de redes típicas. Existen dos situaciones en que se produce fragmentación. La primera, denominada fragmentación en ruta, se produce cuando un paquete es creado por un host en una red con un valor determinado de MTU y en su camino hacia el host de destino ha de pasar por otra red con una MTU menor. En estos casos, el enrutador que hace la transición a la red de MTU menor ha de fragmentar los paquetes para que no excedan el tamaño de la nueva red. La segunda, llamada fragmentación en origen, se produce como consecuencia del diseño de la aplicación.

Tabla 2: Valor de MTU Para Protocolos Comunes de Nivel de Enlace La fragmentación se realiza cortando la parte de datos del paquete en trozos del tamaño máximo permitido por la nueva red. Todos los campos del encabezado del paquete original se repiten en los fragmentos, excepto aquellos que se emplean para distinguirlos entre sí. Una vez fragmentado, un paquete no se reensambla hasta que llegue al host de destino, aún cuando en el trayecto pase a través de redes que admitan una MTU mayor. Los estándares Internet recomiendan que todas las redes que soporten TCP/IP tengan una MTU de al menos 576 bytes, condición que cumplen la mayoría de las redes. La MTU mínima imprescindible para funcionar en TCP/IP es de 68 bytes, valor que corresponde a 60 bytes de encabezado (el máximo con todos los campos opcionales) y 8 bytes de datos, que es el fragmento mínimo de datos que puede hacerse.

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El campo identificación del encabezado IP es usado por el emisor para marcar cada paquete emitido. De esta forma, en caso de que se produzca fragmentación, el receptor podrá reconocer las partes que corresponden al mismo paquete, ya que todas irán acompañadas de la misma identificación. El bit DF cuando está a 1 indica a los enrutadores que este paquete no debe fragmentarse. Normalmente esto se hace por uno de los dos motivos siguientes: 1. El receptor no está capacitado para reensamblar los fragmentos. 2. Cuando se aplica la técnica de descubrimiento de MTU del trayecto o “path MTU discovery” que permite averiguar el MTU de una ruta. Esta técnica consiste en que el host de origen envía un paquete del tamaño máximo al host de destino con el bit DF en 1. Si el paquete no puede pasar en algún punto del trayecto el enrutador correspondiente genera un mensaje de error que es devuelto al host emisor. Entonces, éste envía otro paquete más pequeño, también con el bit DF en 1. Así, usando prueba y error, se consigue que algún paquete pase sin fragmentar al host destino. Para acelerar el proceso, algunos enrutadores incorporan en los mensajes de error información sobre la MTU máximo que puede admitir la red que ha provocado el rechazo. El Offset del fragmento sirve para indicar, en el caso de que el paquete sea un fragmento, en que posición del original se sitúan los datos que contiene el fragmento actual. Los cortes siempre se realizan en múltiplo de 8 bytes, que es la unidad elemental de fragmentación, por lo que este campo cuenta los bytes en grupos de 8. Como los fragmentos de un paquete pueden llegar desordenados a su destino, el receptor podrá identificarlos gracias al campo Identificación. La longitud total del paquete puede calcularla cuando recibe el último fragmento, que está identificado por el bit MF en 0. A partir de los campos Longitud y Offset del Fragmento la longitud será: Fragment FOCET * 8 + Longitud. Cuando se fragmenta un paquete, el host receptor retiene en su buffer los fragmentos y los reensambla cuando los ha recibido todos. Mientras mantiene retenido un fragmento, el host va restando cada segundo una unidad al campo TTL. Cuando el valor de TTL es igual a cero, descarta el fragmento. Si alguno de los fragmentos de un paquete se pierde, el resto terminarán desapareciendo a medida que agoten su TTL. No existe ningún mecanismo en IP que contemple el reenvío de paquetes o de fragmentos. Si el protocolo utilizado a nivel superior contempla reenvío de datos perdidos, por ejemplo TCP a nivel de transporte, se provocará el reenvío del paquete correspondiente. Normalmente, el segundo envío se verá sometido a la misma fragmentación que el primero, pero el segundo no podrá en ningún caso aprovechar fragmentos residuales que pudiera haber en el host receptor correspondientes al primer envío, ya que desde el punto de vista del nivel IP se trata de dos paquetes distintos e independientes que reciben identificaciones diferentes.

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1.2.7.2. Direcciones IP Cada interfaz de red de cada host o enrutador en una red IP se identifica mediante, al menos una, dirección única de 32 bits. Las direcciones IP se suelen representar por cuatro números decimales separados por puntos, que equivalen al valor de cada uno de los cuatro bytes que componen la dirección. Por ejemplo una dirección IP válida sería 152.74.21.3. Si un nodo dispone de varias interfaces físicas, por ejemplo un enrutador, cada una de ellas deberá tener necesariamente una dirección IP distinta si se desea que sea accesible de forma diferenciada para este protocolo. Es posible también y en algunas situaciones resulta útil, definir varias direcciones IP asociadas a una misma interfaz física. Como ocurre en la mayoría de las redes, las direcciones IP tienen una estructura jerárquica. Una parte de la dirección corresponde a la red, y la otra al host dentro de la red. Cuando un enrutador recibe un paquete por una de sus interfaces compara la parte de red de la dirección con las entradas contenidas en sus tablas y reenvía el paquete por la interfaz correspondiente, situación denominada ruteo o enrutamiento.

Figura 10: Formato de las Direcciones IP En el diseño inicial de Internet se reservaron los ocho primeros bits para la red, dejando los 24 restantes para el host, pues se creía que con 254 redes habría suficiente para la red experimental del DoD13. Pronto se vió que esto resultaba insuficiente, por lo que se reorganizó el espacio de direcciones reservando unos rangos para definir redes más pequeñas. El resultado de esa reorganización es lo que hoy se conoce como redes clase A, B y C:

• Una red de clase A se caracteriza por tener en 0 el primer bit de dirección. El campo red ocupa los 7 bits siguientes y el campo host los últimos 24. Puede haber hasta 128 redes de clase A con 16777216 direcciones cada una.

13 DoD: Department of Defense (Estados Unidos de America)

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• Una red de clase B tiene el primer bit en 1 y el segundo en 0. El campo red ocupa los 14 bits siguientes, y el campo host los 16 últimos. Puede haber 16384 redes clase B con 65536 direcciones cada una.

• Una red clase C tiene los primeros tres bits en 110. El campo red ocupa los siguientes 21 bits, y el campo host los 8 últimos. Puede haber hasta 2097152 redes clase C con 256 direcciones cada una.

Para indicar qué parte de la dirección corresponde a la red y qué parte al host, se suele utilizar una notación denominada máscara, consistente en poner a 1 los bits que corresponden a la parte de red y a 0 los que corresponden a la parte host. Así por ejemplo, una red clase A tiene una máscara 255.0.0.0, lo que equivale a decir que los ocho primeros bits especifican la red y los 24 restantes el host. Análogamente, una red clase B tiene una máscara 255.255.0.0 y una clase C una máscara 255.255.255.0. Las máscaras permiten extraer de forma sencilla la parte de red o de host de una dirección. Por ejemplo, un enrutador que ha de enviar un paquete puede realizar la operación booleana AND entre la dirección de destino y la máscara correspondiente, con lo que extraerá la parte de red de la dirección. Existen además direcciones clase D cuyos primeros cuatro bits valen 1110. Las direcciones clase D se utilizan para definir grupos multicast. El grupo queda definido por los 28 bits siguientes. Puede haber hasta 268435456 direcciones multicast en Internet. Las direcciones clase D nunca pueden aparecer como direcciones de origen de un paquete. Finalmente, está la clase E, que corresponde al valor 1111 en los primeros cuatro bits, no se utiliza de momento y está reservada para usos futuros. De los valores de los primeros bits de cada una de las clases antes mencionadas se puede deducir el rango de direcciones que corresponde a cada una de ellas. Así pues, en la práctica es fácil saber a qué clase pertenece una dirección determinada con solo observar el primer byte de su dirección. Existen algunas reglas y convenios que asignan significados especiales a determinadas direcciones IP:

1. La dirección 255.255.255.255 se utiliza para indicar broadcast en la propia red. Por ejemplo, podría ser utilizada como dirección de destino por un host que está booteando desde la red en una LAN y que para averiguar la red en la que se encuentra y su propia dirección IP necesita localizar un servidor que le dé los parámetros de configuración básicos. Sólo se puede utilizar como dirección de destino, nunca como origen.

2. La dirección 0.0.0.0 identifica al host actual. En el caso anterior, la utilizaría el host como dirección de origen de sus paquetes. Sólo se puede utilizar como dirección de origen, no de destino.

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3. Las direcciones con el campo host en cero identifican redes y por tanto no

se utilizan para ningún host. Se emplean para especificar rutas y nunca deberían aparecer como direcciones de origen o destino de un paquete.

4. Una dirección con todos los bits del campo host en uno se utiliza como

dirección de broadcast dentro de la red, por lo tanto, no se utiliza para ningún host y sólo puede ser una dirección de destino. Por ejemplo, para enviar un mensaje broadcast a la red anterior se debe utilizar la dirección 152.74.21.255.

5. Una dirección con el campo red con todos los bits en ceros identifica a un

host en la propia red, cualquiera que sea la red. Por ejemplo, si se desea enviar un paquete al primer host (1.1) de una red clase B, se puede utilizar la dirección 0.0.1.1. Esto permite enviar un paquete a un host en una red sin saber el número de ésta, aunque es preciso conocer si es clase A, B o C para saber qué tamaño tiene la parte red de la dirección.

6. La dirección 127.0.0.1 se utiliza para pruebas de loopback. Todas las

implementaciones de IP devuelven a la dirección de origen los paquetes enviados a ésta sin intentar enviarlos a alguna parte.

7. Las redes 127.0.0.0, 128.0.0.0, 191.255.0.0, 192.0.0.0 y el rango de

240.0.0.0 en adelante (clase E) están reservados y no deben utilizarse.

8. Las redes 10.0.0.0 (clase A), 172.16.0.0 a 172.31.0.0 (clase B) y 192.168.0.0 a 192.168.255.0 (clase C) están reservadas para redes privadas o intranets por el RFC 1918. Estos números no se asignan a ninguna dirección válida en Internet. Por lo tanto, pueden utilizarse para construir redes, por ejemplo, detrás de un firewall, sin riesgo de entrar en conflicto de acceso con redes válidas de la Internet.

Como consecuencia de las reglas 3 y 4 antes mencionadas siempre hay dos direcciones inútiles en una red, la primera y la última. Por ejemplo, en la red 152.74.21.0 (clase B) se tiene que reservar la dirección 152.74.21.0 para denotar la red, y la dirección 152.74.21.255 para envíos broadcast a toda la red. Por lo tanto, se dispone de 254 direcciones para hosts, no de 256.

1.2.8. Tecnologías WAN Una WAN es una red de comunicación de datos que tiene una cobertura geográfica relativamente grande y suele utilizar las instalaciones de transmisión que ofrecen compañías portadoras de servicios como las telefónicas. Las

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tecnologías WAN operan en las tres capas inferiores del modelo OSI. La Figura 11 muestra algunas de las tecnologías WAN y el nivel OSI en el que operan.

Figura 11: Tecnologías WAN y Su relación con las Capas OSI

1.2.8.1. Enlaces Punto-a-Punto Un enlace punto a punto proporciona una única trayectoria entre dos nodos distantes, a través de una red de transporte que típicamente es provista por alguna empresa de servicios. La Figura 12 muestra un enlace punto a punto típico en una red WAN.

Figura 12: Esquema de Enlace Punto a Punto WAN A este tipo de conexión se les llama también líneas privadas, debido a que la trayectoria establecida permanente y fija para cada red remota a la que se llega utilizando el enlace WAN. Las compañías que proveen el servicio reservan varios enlaces punto a punto para uso exclusivo del cliente, proporcionando dos tipos de conexiones: transmisión de datagramas y transmisión de ráfagas de datos.

1.2.8.2. Conmutación de Circuitos y de Paquetes La conmutación de circuitos es un método de conmutación WAN en el que se establece, mantiene y termina un circuito físico dedicado a través de una red de transporte para cada sesión de comunicación. Al igual que los enlaces punto a punto, los circuitos conmutados manejan principalmente dos tipos de transmisiones: de datagramas y de ráfagas de datos. Este tipo de comunicación

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es bastante utilizada por las compañías de comunicaciones para la interconexión de enlaces, y su forma de operar es muy similar a la de una llamada telefónica normal. ISDN es un ejemplo simple y cotidiano de tecnología WAN de conmutación de circuitos. La Figura 13 muestra un ejemplo de este tipo de tecnología.

Figura 13: Conexión WAN de Circuitos Conmutados

La conmutación de paquetes es un método de conmutación WAN en el que los dispositivos de la red comparten un único enlace punto a punto para transferir los paquetes desde el origen hasta el destino a través de la red de transporte. Se utiliza multiplexaje estadístico para permitir que los dispositivos compartan los circuitos. ATM, Frame Relay y X.25 son ejemplos de tecnología WAN de conmutación de paquetes. En la Figura 14 se muestra la transferencia de datos en una red de este tipo.

Figura 14: Conexión WAN de Paquetes Conmutados

1.2.8.3. Circuitos Virtuales WAN Un circuito virtual es un circuito lógico creado para asegurar una comunicación confiable entre dos dispositivos de red. Existen dos tipos de circuitos virtuales: los conmutados o SVCs y los permanentes o PVCs. Los primeros se establecen de

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forma dinámica por demanda y se terminan al finalizar la transmisión. Debido a eso se tienen tres fases o etapas en la comunicación: el establecimiento del circuito (que implica la creación de un circuito virtual entre origen y destino), la transferencia de datos entre los nodos finales, utilizando en circuito virtual establecido, y la terminación del circuito que implica la desconexión. Por otro lado, los PVCs son establecidos de forma permanente, y sólo constan de la fase de transmisión de datos. Los SVCs son utilizados en situaciones donde la transmisión de datos es esporádica, debido a que estos incrementan demasiado el ancho de banda utilizado producto de las fases de establecimiento y terminación del circuito. Su principal ventaja es que disminuyen los costos asociados con la disponibilidad constante de un circuito virtual. Los PVCs son utilizados en situaciones donde la transferencia de datos entre los dispositivos es constante. Con los PVCs se disminuye el uso de ancho de banda asociado con el establecimiento y terminación de los circuitos virtuales, pero se incrementan los costos debido a la constante disponibilidad del circuito virtual.

1.2.8.4. Dispositivos WAN

1.2.8.4.1. Switch WAN Corresponde a un dispositivo multipuerto de interconectividad de redes que se utiliza en las redes de transporte. Por lo general, estos dispositivos conmutan tráfico como el de Frame Relay, X.25 y SMDS y operan en la capa de enlace de datos. La Figura 15 muestra dos enrutadores ubicados en los extremos remotos de una WAN que se encuentran conectados a través de switches WAN.

Figura 15: Switches WAN Interconectando Routers

1.2.8.4.2. RAS Un RAS o servidor de acceso remoto actúa como un punto de concentración para conexiones de marcación hacia adentro y hacia afuera. La Figura 16 muestra una conexión RAS.

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Figura 16: RAS conectando múltiples clientes a una WAN

1.2.8.4.3. Módem Un módem es un dispositivo que interpreta señales analógicas y digitales, permitiendo de esta manera que los datos se transmitan a través de líneas telefónicas. En el punto de origen las señales digitales son convertidas a una forma apropiada para su transmisión a través de equipos de comunicación análogos. En el destino, las señales analógicas son convertidas de nuevo a su forma digital original.

1.2.8.4.4. CSU/DSU Una CSU (Unidad de Servicio de Canal)/DSU (Unidad de Servicio de Datos) es un dispositivo de interfaz digital que adapta la interfaz física de un DTE, como un nodo final, a la interfaz del dispositivo DCE, como un switch, en una red conmutada de transporte. La CSU/DSU también proporciona la temporización de la señal para la comunicación entre los dispositivos.

1.2.8.4.5. Adaptador ISDN Un adaptador de terminal ISDN es un dispositivo que se utiliza para conectar la BRI de ISDN con otras interfaces. Un adaptador de terminal es, en esencia, un módem ISDN.

1.2.8.5. Encapsulado y Tunneling En las conexiones WAN se desea enviar paquetes de un protocolo determinado a través de una red de otro tipo, sabiendo que en el lado del receptor se dispone de una red del mismo protocolo que el emisor. Por ejemplo, al utilizar ATM como transporte de datos TCP/IP, lo que se hace es introducir los paquetes IP en el campo de datos de una celda ATM. La técnica descrita anteriormente se denomina encapsulado o tunneling, ya que la unión puede verse como un túnel que permite intercambiar paquetes de un protocolo determinado de forma que no sean “vistos” por el protocolo intermedio.

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Recientemente se ha definido en Internet un estándar para la creación de túneles denominado L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol, RFC 2661). Esto permite la creación de redes privadas virtuales (VPN, Virtual Private Network) a través de una red pública como Internet, mejorando notablemente las características de la comunicación desde el punto de vista de seguridad. El encapsulado o tunneling supone una pérdida de rendimiento, ya que el paquete viaja con doble cantidad de encabezados. Sin embargo, puede ser una solución muy interesante debido a su sencillez cuando se trata de enviar poco tráfico, o para conexiones temporales.

1.2.9. Nivel de Transporte El nivel de transporte es el más importante desde el punto de vista de las comunicaciones. La tarea de este nivel es proporcionar un transporte de datos confiable y económico desde el origen al destino, independiente de la red o redes físicas en uso. Esta capa proporciona un servicio a los procesos de la capa de aplicación, en el caso de Internet y a los de sesión en el caso de OSI. Para lograr este objetivo la capa de transporte hace uso de los servicios de la capa de red. En el nivel de transporte existen dos tipos de servicios: orientado a la conexión y no orientado a la conexión. A pesar de esto, lo normal es trabajar con servicios orientados a la conexión donde se tienen, como siempre, tres fases: establecimiento, transferencia de datos y desconexión. Además, tanto el direccionamiento como el control de flujo son semejantes a los de las otras capas. Lo mismo ocurre con los servicios no orientados a la conexión. Así como la unidad básica de intercambio de información a nivel de enlace se llama trama, la del nivel de red es llamada paquete, la unidad de transferencia del nivel de transporte se llama TPDU (Transport Protocol Data Unit) en la nomenclatura OSI, mensaje en el caso de usarse el protocolo UDP (servicio no orientado a conexión) y segmento en el caso de usarse el protocolo TCP (servicio orientado a conexión). La necesidad de un nivel de transporte es debida a que los usuarios no tienen control sobre la subred, que es de lo que se encarga el nivel de red. Es por este motivo que no se pueden resolver los problemas de un mal servicio usando mejores enrutadores o incluyendo una porción mayor del manejo de errores en la capa de enlace de datos. La única posibilidad es poner el nivel de transporte encima del nivel de red para mejorar la calidad del servicio. Con esto, si a la mitad de una transmisión se informa a una entidad de transporte que su conexión de red ha sido terminada abruptamente, sin indicación de lo sucedido a los datos

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actualmente en tránsito, la entidad de transporte puede establecer una nueva conexión de red con la entidad de transporte remota. Usando esta nueva conexión de red, la entidad puede enviar una solicitud a su igual preguntando qué datos llegaron y poder reiniciarse desde la interrupción la transmisión de los datos que no hayan llegado. La existencia del nivel de transporte hace posible que el servicio de transporte sea más confiable que el de red. El nivel de transporte puede detectar y compensar paquetes perdidos y datos alterados. Es más, las primitivas del servicio de transporte pueden diseñarse de modo que sean independientes de las primitivas del servicio de red, que pueden variar según las redes, pudiendo escribir programas de aplicación usando un estándar de primitivas que puedan trabajar en una variedad amplia de redes, sin tener que preocuparse por las interfaces de subred. Por lo tanto, esta capa cumple la función clave de aislar las capas superiores respecto de la tecnología, el diseño y las imperfecciones de la subred. Entre las funciones que realiza la capa de transporte se pueden contar:

• Se encarga de la comunicación entre dos nodos, independizándola de como funciona la red.

• Lograr que la información llegue de la máquina A a la máquina B libre de errores y en orden (el nivel de red se encargaba de la comunicación entre el nodo A y el nodo B).

• Dividir o segmentar los datos que llegan desde el nivel superior. • Multiplexar varias conexiones de transporte sobre una misma conexión de

red para reducir el costo. • Determinar el tipo de servicio que debe dar a la capa superior. Este se

determina cuando se establece la conexión. • Administrar varios enlaces simultáneos entre varias máquinas. • En los host multiproceso, puede haber múltiples conexiones, en el header

de este nivel se indica a qué conexión pertenece cada mensaje. • Establecer y liberar las conexiones a través de la red y del control de flujo

entre hosts.

1.2.9.1. Direccionamiento Cuando un proceso de aplicación desea establecer una conexión con un proceso de aplicación remoto, debe especificar a cuál debe conectarse. El método que normalmente se emplea es definir direcciones de transporte en las que los procesos pueden estar a la escucha de solicitudes de conexión. Estas direcciones son los TSAP (Transport Service Access Point). La dirección TSAP puede ser una dirección jerárquica en la que se pueden distinguir, como en un número telefónico, que la dirección consiste de una

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secuencia de campos usados para dividir en partes el espacio de direcciones. La alternativa al espacio jerárquico de direcciones es el espacio plano, donde se necesitaría un servidor de nombres que tomará direcciones de puerto como entrada y devolviera direcciones de red como salida. El esquema de conexión más empleado es el utilizado por los hosts UNIX de Internet, y se llama protocolo inicial de conexión. Este protocolo cada máquina que desea ofrecer servicio a usuarios remotos tiene un servidor de procesos especial, el daemon inetd, que actúa como receptor de los servidores y escucha en un grupo de TSAP al mismo tiempo, esperando una solicitud de conexión TCP. Los usuarios potenciales de un servicio emiten una solicitud de conexión especificando la dirección TSAP, llamada puerto TCP, del servicio que desean. Tras obtener la solicitud entrante, el servidor de procesos genera el servidor solicitado, permitiéndole heredar la conexión con el usuario existente y el servidor de procesos retorna a escuchar solicitudes nuevas. Por ejemplo, cada vez que un proceso cliente desea conectarse a un servidor para leer el correo electrónico, se hace la llamada a la dirección IP del servidor de correos, pero para poder acceder al servicio POP3, que es uno de los protocolos que permite leer el correo, se debe especificar la dirección TSAP que accesa al servicio. En este caso, la dirección TSAP o puerto TCP de conexión es el 110. Así, si se desea hacer una conexión a un servidor de correos POP3 puede ejecutarse el programa Telnet de la siguiente forma: Telnet A.B.C.D 110 donde A.B.C.D es la IP del servidor. Muchas implementaciones TCP/IP disponen de una API (Application Programming Interfaces) para la programación de aplicaciones denominada socket. Un socket es una estructura de software que opera como un punto terminal de comunicaciones en un dispositivo de red. Los sockets son una interfaz multiprotocolo, es decir, soporta TCP, UDP y otros protocolos. Los sockets son la API más extendida en programación de aplicaciones TCP/IP y forman un estándar de facto. Existen implementaciones para muchos sistemas operativos. La filosofía básica de los sockets deriva directamente del sistema de entrada/salida de UNIX, con ampliaciones que permiten por ejemplo a un proceso servidor ponerse “a la escucha”.

1.2.9.2. Elementos de Protocolos de Transporte El nivel de transporte se parece al nivel de enlace en que debe ocuparse de la comunicación extremo a extremo. Por ejemplo, debe ocuparse del control de errores (incluyendo mensajes perdidos o duplicados) y el control de flujo. Aunque las técnicas que se aplican son parecidas, existen importantes diferencias entre los niveles, motivadas por el hecho de que en el nivel de enlace hay un sólo hilo físico (o su equivalente) entre las dos entidades comunicantes, mientras que en el nivel de transporte hay toda una red. Las mayores diferencias entre el nivel de transporte y el de enlace son las siguientes:

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• El retardo que se observa en el nivel de transporte es normalmente mucho mayor y sobre todo más variable (mayor jitter) que en el de enlace.

• En el nivel de enlace el medio físico entre las dos entidades tiene una capacidad de almacenamiento de información normalmente muy reducida y siempre la misma. En el de transporte los enrutadores intermedios pueden tener una capacidad considerable y esta puede variar con el estado de la red.

• En el nivel de enlace se asegura que las tramas llegarán al receptor en el mismo orden que han salido del emisor (salvo que se pierdan, en cuyo caso no llegarán). En el nivel de transporte esto es cierto sólo cuando se utiliza un servicio orientado a conexión en el nivel de red. Si se utiliza un servicio no orientado a conexión el receptor podría recibir los datos en orden distinto al de emisión.

• En el nivel de enlace las dos entidades se ven directamente (suponiendo una comunicación dúplex) lo que permite que el emisor sepa en todo momento si el receptor está operativo, y el receptor sabe que los datos recibidos corresponden todos a una misma sesión del emisor. En el nivel de transporte la comunicación es indirecta, el emisor podría enviar datos, quedar fuera de servicio y más tarde entrar en funcionamiento otra vez. Si no se adoptan las medidas oportunas el receptor podría recibir todos esos datos sin siquiera percatarse de que corresponden a dos sesiones distintas del emisor o incluso podrían pertenecer a dos usuarios distintos.

1.2.9.3. Protocolo TCP TCP (Transmission Control Protocol) es el protocolo de transporte confiable utilizado en Internet en el nivel o capa de transporte. Este protocolo ha adquirido su popularidad gracias a las siguientes características:

• Protocolo orientado a conexión: Es decir, las aplicaciones solicitan la conexión al destino y luego usan esta conexión para entregar y transferir los datos, garantizando que estos serán entregados sin problema.

• Punto a Punto: Una conexión TCP tiene dos extremos, que son los entes que participan en la comunicación, es decir, emisor y receptor.

• Confiabilidad: TCP garantiza que los datos transferidos serán entregados sin ninguna pérdida, duplicación o errores de transmisión.

• Full duplex: Los extremos que participan en una conexión TCP pueden intercambiar datos en ambas direcciones simultáneamente.

• Conexión de inicio confiable: El uso del three-way handshake garantiza una condición de inicio confiable y sincronizada entre los extremos de la conexión.

• Conexión de finalización aceptable: TCP garantiza la entrega de todos los datos antes de la finalización de la conexión.

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Debido a que TCP, al igual que UDP, está en la capa de transporte, necesita de valerse de IP para el envío de sus segmentos o mensajes. De esta manera, IP trata al mensaje TCP como la información que debe entregar y en ningún momento intenta interpretar su contenido, como generalmente se hace al pasar un mensaje de una capa a otra inferior. Los extremos de la conexión son identificados por puertos, lo que garantiza que se puedan establecer múltiples conexiones en cada host y que los puertos puedan estar asociados con una aplicación o un puerto directamente. De lo anterior se desprende que los enrutadores o cualquier dispositivo de nivel tres sólo puede observar los encabezados IP (nivel 3) para el reenvío de los datagramas, y nunca interpretarán los datos de un nivel superior, pues esto supone violar el modelo de capas. Por lo tanto, TCP en la máquina destino, es el encargado de interpretar los mensajes TCP, después de recibirlos de la capa de red, quien previamente le ha suprimido el encabezado IP. TCP usa diversas técnicas para proveer la entrega confiable de datos. Estas técnicas permiten a TCP recobrarse de errores como paquetes perdidos, duplicados, retardo, diferentes velocidades de transmisión y congestión, entre otros.

• Paquetes perdidos: TCP usa confirmación positiva con retrasmisión para lograr la entrega de datos confiable. De este modo, el receptor envía mensajes de control de confirmación (ACK) al emisor para verificar la recepción exitosa de la información. A su vez, el emisor inicializa un timer al transmitir la información. Si el timer expira antes que la confirmación llegue, el emisor debe retransmitir la información inicializando un nuevo timer.

• Paquetes duplicados: Si el receptor recibe un paquete duplicado no lo toma en cuenta y procede a su descarte, ya que éste habrá sido tomado y marcado como recibido.

• Retardo de paquetes: Si un paquete no es recibido y el siguiente sí, el receptor no mueve la ventana deslizante hasta que el segmento faltante sea recibido. De esta manera el receptor al no recibir el ACK correspondiente al paquete retrasado lo reenvía.

• Diferentes velocidades de transmisión: Al establecer la conexión TCP, tanto el emisor como el receptor indican cual es su capacidad de almacenamiento intermedio (buffers) para acordar cuál será la velocidad de transmisión que se llevará a cabo.

• Congestión: TCP implementa una política en la cual mantiene una ventana para medir la congestión, cada vez que un temporizador expira, ésta ventana es reducida. Para la decisión de envío de datos, el emisor toma en cuenta el tamaño de esta ventana para crear el tamaño de la ventana deslizante de datos.

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Para proveer transparencia, cada aplicación entrega arbitrariamente toda la información como un flujo de datos, luego TCP se encarga de separar esta información en segmentos, cada uno de los cuales tiene máximo el tamaño de un paquete IP. El flujo dado por la aplicación es numerado por la cantidad de bytes transferidos, y cada uno de estos segmentos contiene un número de secuencia de los bytes de información. Así, el receptor envía un segmento con el número de secuencia de la información confirmada, no de los segmentos. Los ACKs son acumulativos, de esta manera un ACK puede ser la confirmación de varios segmentos. Debido a que el tráfico excesivo que pueda presentar una red es una de las causas de la pérdida de paquetes, algunos protocolos como TCP, proveen la retransmisión como mecanismo para garantizar la llegada de los mensajes. Esta solución más que una buena solución es un arma de doble filo, ya que la retransmisión excesiva puede contribuir a la congestión. La pérdida de paquetes es interpretada por TCP como un indicador de congestión. El mecanismo de control de TCP es usado por el nodo emisor para detectar el nivel de congestión y si éste está sobre un cierto nivel umbral considerado el máximo aceptable, la retransmisión de paquetes es reducida. El mecanismo utilizado consiste en que un host envía un paquete, y si una confirmación llega sin pérdida, el emisor envía dos paquetes y comienza a aumentar la ventana en potencias de dos. Cuando TCP envía un número de paquetes igual a la mitad del tamaño de una ventana, la tasa de incremento disminuye hasta recibir las confirmaciones de los paquetes enviados.

Tabla 3: Algunos Puertos TCP/UDP Estándar

1.2.9.3.1. Puertos TCP Un puerto es un número entero entre 0 y 65535 que especifica la dirección TSAP a la cual se dirige una conexión TCP o UDP. En un mismo host, un número de puerto puede ser utilizado simultáneamente por una aplicación para UDP y por otra para TCP, lo que no plantea ningún conflicto, ya que son TSAPs diferentes.

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Por convenio los números 0 a 1023 están reservados para el uso de servicios estándar, por lo que se les denomina puertos bien conocidos (well-known ports). Cualquier número por encima de 1023 está disponible para ser utilizado libremente por los usuarios. En la tabla anterior se muestran algunos de los puertos más utilizados.

1.2.9.3.2. Encabezado TCP La Figura 18 muestra el encabezado de un mensaje TCP, la descripción de sus campos es la siguiente:

Figura 17: Encabezado de un Mensaje TCP

• Puerto Origen y Destino: 16 bits cada uno e identifican los puertos que se van a utilizar en cada host para comunicar con las aplicaciones que intercambian datos.

• Número de Secuencia: 32 bits, indica el número de secuencia que

corresponde en la conexión al primer byte que se envía en el campo datos de ese segmento.

• Número de ACK: 32 bits que apuntan al número de secuencia del primer

byte del próximo segmento que se espera recibir del otro lado.

• Longitud de Encabezado TCP: 4 bits que especifican el largo del encabezado, en palabras de 32 bits. Este valor no incluye el campo datos, y el campo opciones hace que esta longitud pueda variar.

• Bits de Codificación: 6 bits que se presentan a continuación de 6 bits no

utilizados. Corresponden a bits flag, cuyo nombre y significado es el

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siguiente: URG (urgent, sirve para indicar que el segmento contiene datos urgentes, y el campo puntero de datos urgentes contiene la dirección donde terminan éstos), ACK (acknowledgement, indica que en este segmento el campo Número de ACK tiene el significado habitual, de lo contrario carece de significado; en la práctica, el bit ACK está a 1 siempre, excepto en el primer segmento enviado por el host que inicia la conexión), PSH (push, indica que el segmento contiene datos PUSHed, es decir, que deben ser enviados rápidamente a la aplicación correspondiente sin esperar a acumular varios segmentos), RST (reset, usado para indicar que se debe abortar una conexión porque se ha detectado un error de cualquier tipo), SYN (synchronize, este bit indica que se está estableciendo la conexión y está puesto en 1 sólo en el primer mensaje enviado por cada uno de los dos hosts en el inicio de la conexión) y FIN (finish, indica que no se tienen más datos que enviar y que se quiere cerrar la conexión; se usa ya que para que una conexión se cierre de manera normal cada host ha de enviar un segmento con el bit FIN puesto en 1).

• Tamaño de Ventana: 16 bits que indican la cantidad de bytes que se está

dispuesto a aceptar del otro lado en cada momento. Mediante este parámetro el receptor establece un control de flujo sobre el flujo de datos que puede enviar el emisor.

• Checksum: 16 bits y sirve para detectar errores en el segmento recibido.

Estos podrían ser debidos a errores de transmisión no detectados, a fallos en los equipos o a problemas en el software.

• Puntero de Datos Urgentes: 16 bits, indican el final de un flujo de datos de

tipo urgente, ya que el segmento podría contener datos no urgentes. TCP no marca el principio de los datos urgentes, es responsabilidad de la aplicación averiguarlo.

• Opciones: 0 o más palabras que habilitan un mecanismo por el cual es

posible incluir extensiones al protocolo. Entre las más interesantes se encuentran las siguientes: tamaño máximo de segmento, uso de repetición selectiva (en vez de retroceso n), uso de NAK (acuse de recibo negativo en caso de no recepción de un segmento), uso de ventana mayor de 64 Kbytes mediante el empleo de un factor de escala.

1.2.10. Transmisión serial [12]

1.2.10.1. Transmisión serie/paralelo Conceptualmente una transmisión paralelo consiste en utilizar simultáneamente varios circuitos de transmisión serie. Dejando al margen problemas específicos de

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una transmisión en paralelo, como puede ser el efecto crosstalk o interferencia inducida de símbolos, la transmisión paralelo es el recurso lógico cuando un solo circuito no proporciona un ancho de banda suficiente. Si en un diseño, un problema de transmisión puede resolverse con una transmisión serie, esta opción es en principio deseable frente a una paralelo. En una transmisión con múltiples circuitos la probabilidad de fallo de línea y la necesidad de mantenimiento es proporcional al número de líneas utilizadas.

1.2.10.2. Transmisión Síncrona/Asíncrona Independientemente de si la transmisión es serie o paralelo, ésta puede ser síncrona o asíncrona. Para entender la diferencia es interesante fijarse en la etimología de las palabras14. Síncrona significa "mismo reloj" y asíncrona lo contrario, es decir, relojes distintos. Entre dos equipos, emisor y receptor, existe un problema básico en la identificación de los distintos símbolos (bits en este caso) que se transmiten por una línea de transmisión. Suponiendo que dos computadores A y B, y una línea de transmisión por la que se comunican. Si el computador A manda a B 50 bits a una velocidad de 1000 bits/segundo. Esto quiere decir que cada bit estará en la línea de transmisión una milésima de segundo. La máquina B necesita conocer este dato y necesita un reloj, o base de tiempos, que le permita medir con precisión esa milésima de segundo para saber cuándo ésta en la línea el segundo bit, el tercer bit, etcétera. El lector debe conocer que la forma normal en que el equipo receptor decide si un bit es "0" o "1" es muestreando (haciendo un muestreo de) la línea de transmisión durante el intervalo del bit, preferiblemente a mitad del intervalo. Es evidente que si el reloj utilizado por el receptor no mide el tiempo con precisión y la secuencia de bits es lo suficientemente larga, entonces cometerá un error en el muestreo de la línea e identificará una secuencia de bits incorrecta. Si, por ejemplo, el reloj receptor atrasa y cuando indica al sistema que ha pasado 1 ms en realidad ha pasado 1,1 ms (un error del 10%) entonces se producirá un primer error de muestreo en el 6º a 7º bits transmitido (si se asume que el primer bit lo muestreó correctamente en el centro del intervalo del bits) como se muestra en la Figura 18.

14 Ambas vienen del griego cronos --tiempo (reloj)--.

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Figura 18: Problema en la identificación de distintos símbolos De esta situación se pueden deducir dos conclusiones: 1. La transmisión síncrona (emisor y receptor comparten el mismo reloj) permite que el receptor pueda interpretar (muestrear) sin error de sincronismo una secuencia (bloque) arbitrariamente larga de bits. 2. La transmisión asíncrona, a diferencia de la síncrona, está orientada a la transmisión de caracteres (bloque mínimo de tan sólo siete u ocho bits).

1.2.10.3. RS232 La norma RS232 fue originalmente diseñada para conectar terminales de datos con dispositivos de comunicación. Desde un principio, también fué utilizada para conectar casi cualquier dispositivo imaginable. Los usos de la RS232 en el entorno doméstico son muchos y ampliamente conocidos. Desde la conexión del ratón, el modem/fax, agendas electrónicas de bolsillo, impresoras serie, grabadores de memoria (tipo EPROM), digitalizadores de vídeo, radios de AM/FM, etc. La lista sólo está limitada por la imaginación de los diseñadores. Además del bit de START utiliza:

• 5, 6, 7 o 8 bits de datos. • 0 o 1 bit de paridad (la paridad puede ser "par"(Even), "impar"(Odd),

"siempre a cero"(Reset) y "siempre a uno"(Set). • 1, 1.5 o 2 bits de STOP.

Usualmente se emplea una nomenclatura abreviada como, por ejemplo, "8N1" que indica que la transmisión serie RS232 se ha configurado para transmitir 8 bits de datos, No paridad y 1 bit de STOP. Otro ejemplo sería "6E2" que indica 6 bits de datos, paridad par y 2 bits de STOP.

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El estándar RS232 normaliza los aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales.

1.2.10.3.1. Aspectos mecánicos La RS232 utiliza un conector Cannon DB-25 (ISO 2110) macho para el DTE y hembra para el DCE (ver la Figura 19).

Figura 19: Señales físicas de conector DB-25 La conexión entre DTE y DCE es simple. Cada pin conecta con su par (el 1 con el 1, el N con el N) existen versiones de DB-25 para cable plano que simplifica el mecanizado de las conexiones. Cada pin tiene asignado una función tal y como se muestra en la figura. Los nombres de las líneas están puestos desde el punto de vista del DTE. Así, el pin 2 es la línea TxD (transmisión de datos) pero obviamente eso no es cierto en ambos equipos, sólo en el DTE. En el DCE, por el contrario, es la línea por la que recibe los datos del DTE. Cuando sólo se utiliza la transmisión asíncrona, sólo es necesario utilizar nueve líneas. Se puede utilizar el conector Cannon-DB-9. Igualmente el macho es el DTE y la hembra el DCE. En la siguiente gráfica se ilustran los conectores físicos hembra y macho de los dos tipos de conectores. Cuando se indica "macho" se refiere a que las patillas son pines. En los conectores "hembra", las patillas son orificios para que entren los pines.

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CONECTOR DB 25 CONECTOR DB 9

Figura 20: Diagrama de conectores estándares La longitud máxima del cable entre DTE y DCE depende de la calidad de éste y de la velocidad de transmisión utilizada. En principio la norma recomienda que no sea superior a 15 metros para una velocidad de 20 Kbits/seg.

1.2.10.3.2. Aspectos eléctricos La subnorma eléctrica de la RS232 es la V28. La norma fija una transmisión en modo común (cada circuito tienen una referencia a tierra y esta es común para todos los circuitos). Los circuitos son punto a punto, es decir, un driver con un sólo receptor de la señal. La señal es bipolar con lógica invertida, utilizando los siguientes valores: 1 lógico =-3 a - 15 voltios 0 lógico = + 3 a + 15 voltios La ausencia de señal (0 voltios) queda diferenciado del 0 y 1 lógicos. La RS232 es cortocircuitable. Esto quiere decir que, al menos teóricamente, los drivers de salida de las puertas disponen de un mecanismo de auto-protección contra sobrecalentamientos. La tensión máxima de operación es +/-25voltios y la carga máxima es de 3 KΩ a 7 KΩ, con una corriente máxima de 500 mA. 1.2.10.3.3. Aspectos funcionales15

La especificación funcional indica los circuitos que están conectados a cada una de los 25 pines, así como el significado de cada uno de ellos Cuando el terminal u ordenador se enciende, ésta activa (es decir, pone un 1 lógico) la señal "Data Terminal Ready" (pin 20). Cuando el módem se enciende, se activa la señal correspondiente al "Data Set Ready" (pin 6). Cuando el módem detecta una portadora sobre la línea telefónica, se activa la señal de "Carrier Detect" (pin 8). El "Request to Send" (pin 4), indica que el terminal quiere enviar datos. El "Clear to Send" (pin 5), significa que el módem está preparado para aceptar datos. Los 15 Solo aplica sobre la norma asíncrona

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datos se transmiten con el "Transmit circuit" (pin 2) y se reciben con el "Receive circuit" (pin 3). Se tienen a disposición otros circuitos con los cuales se puede seleccionar la velocidad de transmisión de datos, probar el módem, temporizar los datos, detectar las señales de llamada y enviar datos en la dirección opuesta, sobre un canal secundario. Difícilmente se llegan a utilizar todos estos circuitos en la práctica. La especificación del procedimiento es el protocolo; es decir, el establecimiento de la secuencia legal de eventos. El protocolo está basado en la definición de pares acción−reacción. Cuando en el terminal se propone el "request to send", por ejemplo, el módem contesta con un clear to send si tiene la capacidad para aceptar la información. La norma asíncrona la forman nueve líneas, las cuales se ilustran claramente en Figura 21:

Figura 21: Esquema de señales utilizadas entre equipos DCE y DTE La línea GND conecta la masa de ambos equipos. Las restantes ocho líneas pueden ser agrupados en tres bloques funcionales que se explican fácilmente si se recuerda que la norma fue diseñada para conectar un computador (DTE típico) con un modem (DCE típico).

1.2.10.3.3.1. Primer bloque: Establecimiento de conexión Está formado por las líneas:

• DTR (Data Terminal Ready). Terminal de datos preparado. (El computador y su RS232 están listos).

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• DSR (Data Set Ready). Equipo de comunicación preparado. (El modem está listo).

• RI (Ring Indicator). Indicador de llamada. (El modem indica al computador que ha recibido una llamada).

El objetivo es que ambos equipos sepan que se ha establecido un canal de comunicación (normalmente a través de la línea telefónica). Las líneas DTR y DSR del equipo local y del remoto deben estar activas (set) durante todo el proceso. De hecho cuando un equipo desea dar por terminada una conexión basta con que, momentáneamente, desactive (reset) su DTR. La conexión se inicia manualmente (el usuario llama con el teléfono al modem remoto) o automáticamente (el modem tiene capacidad de marcar un número de teléfono – dialling) y se gestiona en los módems (que negocian, de forma automática, los parámetros de transferencia como la velocidad, compresión, etc).

1.2.10.3.3.2. Segundo bloque: Control de flujo El bloque de control de flujo aplica para un canal de comunicación establecido con gestión half-duplex Si el canal está establecido, el protocolo software de nivel de enlace de datos que se esté utilizando (Xmodem, Ymodem, HDLC, etc) fijará cuál de los dos DTEs debe comenzar a hablar/transmitir. Las líneas en este bloque son usadas de la siguiente manera:

• RTS (Request To Send). Petición de transmisión. El computador indica a su modem que quiere transmitir a la máquina remota.

• CTS (Clear To Send). Canal libre para la transmisión. El modem indica al computador que puede transmitir. Previamente habrá transmitido una señal portadora por el canal de comunicación para avisar al otro modem que ocupa el canal.

• DCD (Data Carrier Detected). Detectada portadora. El modem indica al computador que el canal de comunicación está ocupado por el equipo remoto.

El equipo que quiere transmitir activa RTS, entonces su modem manda una señal portadora (sin modular, sin datos) para avisar al modem remoto que se reserva el canal. Una vez reservado el canal comunica a su DCE que ya puede transmitir activando la línea CTS. Cuando un equipo haya terminado de transmitir, desactivará RTS, el modem quitará la portadora y desactivará CTS. Entonces el otro modem podrá reservar el canal si su computador desea transmitir.

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En caso de que la gestión del canal sea full-duplex todo es más sencillo. Cuando uno de los equipos quiere transmitir activa su RTS. Automáticamente su modem le da paso activando CTS.

1.2.10.3.3.3. Tercer Bloque: Transmisión/recepción de datos Cuando un equipo puede transmitir, lo hace por la línea:

• TxD. Transmisión de datos; y si está recibiendo datos lo hace por: • RxD. Recepción de datos.

La transmisión serial de los datos, con el bit de START, de STOP, etcétera, se produce en estas líneas terminales y emuladores de terminal. Una terminal es un conjunto formado por un teclado, una pantalla y un interfaz serie (típicamente RS232) que permite conectar ambos a un ordenador central o host. El terminal en sí no posee ninguna capacidad de cálculo, se limita a sacar por pantalla la información que recibe del host y a transmitir al host la información/comandos introducida por teclado. Cada vez son menos frecuentes estos equipos. En su lugar se utiliza un ordenador personal con un programa de emulación de terminal (como el TELIX, el PROCOMM+, el HYPERTERMINAL de Windows95, etc.). 1.3. INTERFAZ DE CONVERSIÓN SERIAL A ETHERNET [29]

Muchas redes de automatización comenzaron con protocolos seriales sobre conexiones RS232 y RS485. Muchos diseños fueron mejorados con el paso del tiempo cuando las empresas desarrollaron sus propios medios, hardware y protocolos para lograr sistemas de automatización sobre varias topologías que fueran confiables y que cumplieran con requerimientos determinísticos. Esta mezcla de medios, hardware y protocolos juega un papel importante en las instalaciones actuales, pero su evolución ha creado problemas de interoperabilidad. La integración de redes e información puede ser compleja y costosa. Afortunadamente la revolución de la informática ha alcanzado el mercado de la automatización. Grandes mejoras en la tecnología Ethernet están acabando con las limitaciones existentes que no permitían su uso en la automatización. Velocidad, solidez industrial, confiabilidad y mejoras determinísticas están ahora disponibles en soluciones Ethernet económicas, permitiendo incorporar las tecnologías mas diseminadas en los ambientes dinámicos de las aplicaciones. Los computadores personales y el Internet han impulsado el desarrollo comercial

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de las tecnologías Ethernet y TCP/IP, y las compañías de automatización han incorporado estas tecnologías para construir las redes del futuro. Muchas compañías tienen altísimas inversiones en dispositivos y protocolos propietarios. Para mantenerse al día con el cambio permanente de la tecnología es necesario invertir en procedimientos eficientes y flexibles que reduzcan costos. Hay una necesidad creciente de proveer información en tiempo real a equipos de gestión localizados remotamente. La mayoría de dispositivos tienen un o varios puertos seriales (frecuentemente en conjunto con varios puertos de automatización especializados Fieldbus) que usaban exclusivamente para acceso local. Ahora estos puertos seriales pueden ser vinculados directamente a nuevas instalaciones de redes Ethernet.

1.3.1. Dispositivo Lantronix

Los servidores de dispositivos de Lantronix permiten la integración de Ethernet con viejas tecnologías seriales (RS-232, RS-422 o RS-485). Dando la posibilidad de invertir sin riesgo en nuevas tecnologías abiertas Ethernet sin aislar las tecnologías existentes.

No solo puede integrarse lo nuevo con lo viejo, sino que además puede añadir funcionalidad al sistema. La habilidad inherente a Ethernet de múltiple acceso facilita la manipulación de datos provenientes de los equipos antiguos en la planta. Aplicaciones de alto nivel como Manufacturing Execution Systems (MES) pueden obtener información en tiempo real sin cambiar el sistema de automatización existente.

La ventaja obvia de conectar dispositivos seriales, es la mayor disponibilidad de su información y datos a través de la red. Esto permite a otros dispositivos, servidores y terminales el uso de esta información en sus propias aplicaciones. Todo lo que toma es una conexión de cable del dispositivo al servidor de dispositivos y una simple configuración del puerto serial para conectar a la red casi cualquier dispositivo.

La administración y el control de los dispositivos que solamente disponen de puertos seriales eran un verdadero desafío en el pasado. Los usuarios se veían forzados a utilizar computadoras locales, largas conexiones seriales o conexiones de módem lentas y poco confiables. Al conectar estos dispositivos a la red con los servidores de dispositivos de Lantronix, se convierten en unidades administrables en ambiente de red. Los servidores de dispositivos traen un nuevo nivel de administración remota, permitiendo la implantación de directivas, filtración selectiva de datos y mucho más. Esto relega el poder en las manos de los usuarios, obteniendo máximo desempeño en todos los dispositivos de la red.

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• Reúne todos los aspectos de la empresa: información totalmente integrada, control y sistema de comunicaciones.

• Aprovecha al máximo la inversión existente en infraestructura Lan y Wan (cableado, supervisión y control de la planta, routing/switching).

• Amplia integración con Ethernet.

El elemento clave para la diseminación de Ethernet es su capacidad de conectar un dispositivo instalado a la red. La mayoría de dispositivos tienen un puerto serial para programación, configuración o acceso a una interfaz de operador. Los servidores de dispositivos de Lantronix son computadores diseñados para realizar una función especifica que proporcionan un puente de acceso entre el puerto serial y Ethernet.

1.3.1.1. Características del dispositivo Lantronix El dispositivo Xport de Lantronix es una solución integrada que permite realizar la conexión entre redes Ethernet e interfaces seriales. Dicho dispositivo ofrece máximo nivel de integración incluyendo el controlador DSTni-EX del puerto RJ45, memoria interna, transductor 10/100 Ethernet, puerto serial de alta velocidad, LEDs de estado/diagnóstico y 3 pines I/O de programación.

Para permitir el acceso a una red local o a Inarquitectura del protocolo TCP/IP. Tambiéncual permite configurar, monitorear y verifestén conectados al Xport. El software de configuración e instalación simplifica todo el proceso, teniendo la polocalmente a través del puerto serial o rem

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Foto 1: Dispositivo Xport Se observa el conector RJ45 integrado al dispositivo, que permite realizar conexiones con otros elementos con interface serial.

ternet, el dispositivo tiene integrada la incluye un servidor Web embebido el icar el estado de los elementos que

es desarrollado en Windows lo cual sibilidad de realizar la configuración otamente a través de la red que se

conecte, realizando un Telnet16 al dispositivo. La memoria Flash de 512KB que posee permite realizar actualizaciones del software fácilmente. El software se ejecuta en un controlador DSTni-EX el cual tiene 256 KB de SRAM, 16 KB de memoria ROM y una dirección MAC asociada al dispositivo. La comunicación con los elementos conectados serialmente la realiza a través de una interfase de 3.3 V y 3 puertos I/O de propósito general. Posee internamente un circuito supervisor de voltaje el cual inhabilita el dispositivo en general cuando hay niveles fuera del rango establecido (2.7 V). A continuación se muestra en la Figura 22 los componentes principales del dispositivo Xport.

Figura 22: Componentes principales del dispositivo Xport

1.3.1.1.1. Interfase de la tarjeta de circuito impreso (PCB Interface) La interfase que posee el dispositivo para realizar la conexión al circuito impreso es de 8 terminales seriales entrada/salida CMOS a 3.3 V, los cuales se explican en la tabla del anexo B.

1.3.1.1.2. Interfase Ethernet El puerto 10/100 Ethernet, los indicadores luminosos (LED) y el conector RJ45 están todos integrados en el dispositivo. Las señales de la interfase Ethernet se muestran en la Tabla 4:

16 Telnet (Terminal Emulation): Es un protocolo incluido en la capa de aplicación del modelo TCP/IP. Telnet permite acceder a ordenadores distantes dentro de una misma red (Internet, red LAN o WAN). Una vez que se ha accedido a un sistema distante, se pueden descargar ficheros y realizar las mismas funciones que si se estuviese directamente conectado al ordenador distante.

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Tabla 4: Señales de la interfase Ethernet En la siguiente figura se muestran el diagrama en bloques del dispositivo Xport de Lantronix:

Figura 23: Diagrama en bloques del dispositivo Xport

1.3.1.1.3. Puertos COM virtuales Es importante comentar el funcionamiento de los puertos COM virtuales ya que el dispositivo Lantronix utiliza un software llamado Com Port Redirector el cual crea los puertos virtuales COM, para realizar el direccionamiento entre puertos seriales cuando los datos llegan vía Ethernet. Estas características se utilizaron en el

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desarrollo que se llevó a cabo en Visual Basic Ver. 6.0 para el subsistema de almacenamiento de datos. En general los puertos COM virtuales permiten a las aplicaciones de software comunicarse con los dispositivos que se habilitaron en la red, redireccionando la comunicación de los puertos COM del computador al puerto serial del dispositivo remoto conectado a la red. En lugar de comunicarse por el puerto local del computador, la información es transmitida por la red Ethernet utilizando TCP/IP. El dispositivo de conversión Serial a Ethernet conectado en la red recibe la información y lo presenta por su puerto serial. Igualmente, la información recibida en el puerto serial del dispositivo de conversión, es transmitida a la aplicación del usuario a través de la red utilizando el Com Port Redirector, el cual presenta la información adquirida a la aplicación como si la recibiera directamente del puerto serial COM. 1.4. CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA (PQ- POWER QUALITY)[7], [11], [19] Se refiere a los diversos disturbios que afectan adversamente el equipo eléctrico y electrónico utilizado por los consumidores de energía o clientes de las empresas distribuidoras de electricidad. La combinación de estos factores desemboca en la evaluación de múltiples índices y subgrupos que sirven para evaluar y clasificar la “Calidad de la Energía” que se entrega por parte de las compañías distribuidoras de electricidad a sus clientes o consumidores. Por ejemplo, en diferentes países se ha establecido un sistema de evaluación que incluye índices que controlan los factores adversos.

1.4.1. Los 9 mayores problemas de la energía: • Eventos transitorios: Conocidos como eventos transitorios (Notch).

Ejemplos de fuentes o causas de este tipo de eventos son: Rayos, tormentas eléctricas, la explosión de un transformador de distribución en poste. Sus características principales son: aumento repentino de la tensión (voltaje) llegando a niveles insospechados (orden de varios miles de voltios), con altísimos niveles de corriente (orden de cientos de miles de Amperios, o incluso cientos de miles de amperios en el caso de rayos). Este tipo de fenómeno también son fuentes de señales eléctricas con múltiples frecuencias (armónicas) que duran instantes (orden de los microsegundos). Pueden causar funcionamiento errático del equipo electrónico, o incluso daños severos.

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• Distorsiones Armónicas, Interarmónicas y Subarmónicas: Consiste de deformación de la forma normal de onda, debido a cargas no lineales, tales como las fuentes switching de las computadoras, variadores de frecuencia para control de motores eléctricos (elevadores), fotocopiadoras, impresoras láser y equipos de facsímile (fax). Puede causar errores de comunicación, sobrecalentamiento y daño de equipos electrónicos.

• Corte de Energía: Consiste en un corte total de energía, que provoca que

se caiga por completo todo el sistema eléctrico. Suelen ocurrir cuando se presente alguna de las siguientes circunstancias: tormenta eléctrica, desconexión de las líneas eléctricas, aumento desproporcionado de demanda eléctrica en el edificio, desastres naturales, ó accidentes.

• Deformación de Potencia (Sag): Son reducciones momentáneas del

voltaje. Su duración va desde ½ ciclo hasta varios segundos. Las distorsiones que duran menos de ½ ciclo se llaman “transitorios de baja frecuencia”, y las que duran más de eso, se llaman “subvoltajes”. Las fuentes de este tipo de problemas son: grandes incrementos de la corriente, ó incremento de la impedancia del sistema. Estos son causados por: el arranque de cargas eléctricas muy grandes (motores eléctricos industriales con picos de arranque del 150% o más), por cableado eléctrico defectuoso (falsos contactos en bornes de conexión, por ejemplo), o por cortes repentinos de energía o cortocircuitos en la red eléctrica pública o la red eléctrica interna del edificio.

• Pico de voltaje (Spike): son aumentos repentinos del voltaje por encima

del 110% del voltaje nominal (de más de 6000 voltios en algunos casos). Su duración va desde ½ ciclo hasta varios segundos. Las distorsiones que duran menos de ½ ciclo se llaman “transitorios de baja frecuencia”, y las que duran más de eso, se llaman “sobrevoltajes”. Las fuentes de este tipo de problemas son: descargas atmosféricas que caen cerca o sobre el edificio o directamente sobre la línea de transmisión de energía, entre otros, y causan pérdidas de datos y daños severos en los equipos electrónicos.

• Subvoltaje: es un tipo de transitorio que ocurre en muy cortos períodos de

tiempo, o también en regimen permanente, cuando ocurren en forma sostenida durante períodos de tiempo considerables (varios segundos hasta varios días). Consiste en un nivel de voltaje inferior al voltaje nominal. Son ocasionados intencionalmente como un medio de reducir el consumo eléctrico en el edificio, debido a una sobrecarga eléctrica del sistema. Por ejemplo, un subvoltaje ocurre en un edificio durante las llamadas “horas pico” que es cuando la mayoría de los aparatos eléctricos del edificio están operando, y por el exceso de consumo energético, el voltaje de las líneas eléctricas tiende a bajar conforme aumenta el consumo de energía. Esto

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ocurre particularmente en edificios viejos, o que originalmente fueron construidos para vivienda, y luego fueron ocupados por oficinas, elevando así significativamente el consumo eléctrico. Causa funcionamiento errático o malfuncionamiento de equipos eléctricos y electrónicos.

• Sobretensión: Toda instalación eléctrica está diseñada o concebida para

operar con 10% más de su valor nominal, lo cual se expresa en la siguiente ecuación:

[ ]PICOLL

NL VVVPICO

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1.1 ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛= −−

Las posibles causas de generación de sobrevoltajes se enumeran a continuación:

1. Descargas atmosféricas (rayos). 2. De maniobras “swicheo” permanentes o continuas en el sistema de

operación del sistema de energía al abrir y cerrar interruptores grandes, conectar o desconectar líneas de transmisión de energía.

3. Un corto circuito entre las líneas de fase y tierra ocasiona un sobrevoltaje en las fases sanas del 173%.

• Ruido de Línea: Consiste en formas de onda de frecuencias diversas

causadas por Interferencia de Radio Frecuencia (RFI) e Interferencia Electro magnética (EMI). Es causada por la cercanía del edificio de lugares en donde están operando transmisores de radio, máquinas de soldar eléctricas, dispositivos industriales que operen a base de SCR, ó por la ocurrencia de tormentas eléctricas. Pueden causar pérdidas de datos, daños de equipos o disminución de vida útil de equipos eléctricos y electrónicos.

• Variación de Frecuencia: Consiste de cambios en la estabilidad de la

frecuencia fundamental (frecuencia nominal 60 Hz). Ocurren con frecuencia en donde el fluído eléctrico es suplido por generadores eléctricos pequeños o portátiles, o en donde existan sistemas de cogeneración eléctrica, o por fallas en los transformadores de distribución en la red eléctrica pública. Suelen causar funcionamiento errático, pérdida de datos, daños severos en los equipos, o la caída del sistema eléctrico.

1.4.2. La Pirámide de la Calidad de la Energía Es una metodología para maximizar el rendimiento y la aplicación de las cargas electrónicas. Fue creada para ayudar a sus clientes a orientarse en cuanto sus aplicaciones comerciales, industriales, institucionales y de telecomunicaciones; esto como respuesta ante las constantes consultas de ingenieros consultores y

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diseñadores de proyectos, a fin de proporcionar energía limpia para las necesidades cada vez más crecientes y complejas de hoy. La idea es que la pirámide se utilizó como base para el análisis y como necesario balance del mejor aprovechamiento de la relación costo/beneficio, sin desligarse de los factores meramente de diseño. Generalmente, las etapas 1 y 2 se incluyen desde el diseño y luego, dependiendo de las cargas reales y de su comportamiento real (medido), se procede a avanzar hacia las etapas 3, 4 y 5, según sea el caso.

1.4.2.1. Etapas de la pirámide

1.4.2.1.1. Etapa 1: Aterrizado (Grounding) Es la base o fundamento de todos sistemas de distribución de energía. Los problemas de puesta a tierra y cableado causan 80% de los problemas de calidad de la energía. En realidad, de ellos depende que se puedan requerir o no otras soluciones. Algunas de las referencias más comúnmente usadas para estos casos son:

• IEEE 141 (Libro Rojo) de aplicaciones industriales. • IEEE 142 (Libro Verde). • IEEE 1100 (Libro Esmeralda) de recomendaciones para equipo electrónico

sensible. • IEEE 80 sobre puestas a tierra de sistemas de potencia eléctrica. • IEEE 519 sobre armónicos. • IAEA 1996 (International Association of Electrical Inspectors), libro sobre

puestas a tierra. • EC y M-Guía, práctica para la calidad de la energía para equipo electrónico. • Manual Militar-Puesta a tierra y encorasado de equipo electrónico.

En general, con la proliferación de redes de cómputo y líneas de comunicación de datos es necesario prever que no existen lazos de tierra que pueden afectar el punto de referencia del aterrizaje. Con el aterrizaje, se logra mitigar los problemas N° 1, N° 4, y N° 8.

1.4.2.1.2. Etapa 2: SPD Son el siguiente paso en la pirámide, entre las referencias técnicas internaciones de equipo, si hay consenso al recomendar el uso de los supresores de picos. Los SPD del tipo TVSS para disturbios de tensión de cortocircuito de corta dirección a tierra pueden contribuir a prevenir que las cargas electrónicas no se vean afectadas. Por los resultados obtenidos, las TVSS se justifican en función de su gran beneficio (costo por cada KVA protegido). Los SPD no requieren

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mantenimiento, su vida útil es de hasta veinticinco años, y para cuando se cumpla ese plazo posiblemente ya sean obsoletos y deban sustituirse por otros más modernos. Con la instalación de SPD se logra mitigar problemas como: transitorios, y protección adecuada contra descargas atmosféricas (rayos). En la siguiente figura se muestra el esquema del TVSS:

Desventajas o limitaciones No obstante, los SPD no cubren el total de las cargas eléctricas, pues no filtran la tercera y quinta armónicas, lo mismo que no proveen protección contra una descarga de rayo directa, aunque es muy raro que esto ocurra, y, de hecho, no existe dispositivo alguno que lo haga. Tampoco detienen o limitan los problemas por sobretensiones temporales por tiempos considerables superiores a 125% de la tensión nominal, en cuyo caso el SPD se quema. Finalmente, tampoco provee respaldo energético en caso de que falle la red pública, pues para ello existen los UPS y las plantas generadoras eléctricas. También se recomiendan TVSS específicos para líneas de transmisión de datos y otras líneas de señal no aisladas. El lugar en la instalación eléctrica en donde deben ubicarse los SPD se establece en la norma IEEE 1100-1992.

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El primer SPD se colocará en la entrada de servicio, de manera que ninguna tensión residual pueda “colarse” por medio del segundo SPD hacia el lugar en donde se ubique el panel de distribución para cómputo, u otras cargas críticas. Este arreglo en dos etapas debe ser capaz de reducir picos por descargas atmosféricas inducidas de 20 KV montados sobre picos de 300 Vpk, como sugieren la IEEE y la CBEMA.

1.4.2.1.3. Etapa 3: Regulación de tensión (Sags o sobretensiones). Estos disturbios son propios del lugar o carga. Para determinar la solución más adecuada al caso particular deben considerarse aspectos tales como: sensibilidad de la carga, duración y magnitud de la falla, y los problemas particulares que se encuentren. Con este tipo de dispositivo se logran filtrar o mitigar la ocurrencia de los problemas N° 5 y N° 7. Se recomienda utilizar equipo de monitoreo en las líneas de alimentación para detectar el grado y la frecuencia de los eventos de los problemas de regulación de tensión.

1.4.2.1.4. Etapa 4: Armónicas Estas afectan significativamente la normal operación de las cargas basadas en microprocesadores. Sin embargo, los ingenieros se preocupan más de los efectos del incremento de la corriente neutra en el sistema de distribución eléctrica que de prevenir los problemas operativos de las cargas electrónicas. Con este tipo de dispositivo se logra minimizar la ocurrencia del problema N° 2. Mediante el uso de un medidor de calidad de energía se pueden detectar problemas como nivel de distorsión e identificar los problemas específicos del sitio. Esto último no es posible preverlo desde el diseño, pues es solo para redes ya construidas. Para ello existen en el mercado, filtros de armónicas, y sistemas con transformador de aislamiento que filtran y compensan el factor de potencia. Existen filtros para la tercera, quinta, séptima, y demás armónicas, y debe instalarse para la aplicación en particular, según los resultados o mediciones que resulten del medidor de calidad de energía. Este tipo de solución suele ser común en zonas industriales.

1.4.2.1.5. Etapa 5: UPS Es el último componente que deberá seleccionarse en un proceso de diseño. Aunque la correcta selección y aplicación de UPS es importante en la misión de proteger los equipos. Un error de diseño común es asumir que la UPS solucionará todos los problemas existentes en las líneas. El elevado costo por KVA de

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capacidad instalada de UPS (aproximadamente US$1.000 por cada 1KVA), incluido el costo de inversión de capital, mantenimiento y eficiencia, no se justifica tanto para sistemas centralizados sino más bien para cargas aisladas, y en el caso de la IEEE para protecciones contra rayos se sugiere SPD antes que UPS. Un UPS es una Fuente Ininterrumpida de Potencia, que consiste de un medio que proporciona el filtrado de los picos de voltaje, regulación de la frecuencia, y suple los faltantes de energía en los subvoltajes o cortes de energía. Para suplir los faltantes de energía está equipada con un banco de baterías, cuya capacidad de respaldo está especificada en tiempo (típicamente 15 minutos mínimo). No obstante, aunque se puede agregar bancos de baterías adicionales para aumentar el tiempo de respaldo, no debe pensarse en un sistema de UPS muy grande ya que requieren mucho espacio, y son muy costosos. En caso de requerir una fuente de energía eléctrica para tiempos más prolongados que los que puede suplir un UPS, la solución es la instalación de una planta generadora eléctrica de emergencia. Este tipo de dispositivo es una buena solución contra los problemas N° 1 a 9, aunque se insiste que antes de instalar un UPS debe asegurarse un buen sistema de puesta a tierra del edificio, y un buen SPD en la acometida eléctrica del edificio. Debe procurarse que sean aptos para proteger la clase de equipo según el caso y conformes para la conexión del sistema eléctrico de alimentación. Muchas veces los fabricantes recomiendan instalar dos unidades en serie para lograr un mayor grado de protección, por ejemplo en el interruptor o tablero principal y en el punto de utilización del equipo, especialmente si se trata de equipo electrónico.

1.4.2.1.6. Etapa 6: Planta Eléctrica de Emergencia Consiste de un motor de combustión interna que mueve el eje en el que está montado el rotor de un generador eléctrico, que es el que provee la energía eléctrica al edificio, en los momentos cuando ocurre un corte eléctrico sostenido. Las plantas eléctricas son de dos tipos: a. Standby: o de emergencia, que operan solamente en caso de que falle la red eléctrica pública. b. Permanente, que está capacitada para operar permanentemente durante las 24 horas del día los 365 días del año. Se usa en poblados o regiones que están lejos de cualquier circuito eléctrico de distribución de la red eléctrica pública (fincas y poblados pequeños, o islas). Las plantas eléctricas pequeñas (de hasta 8KW) operan con gasolina como combustible, y las grandes (más de 7 ú 8 KW típicamente) operan con diesel, aunque también las hay con gas LPG (se recomienda instalarlas en lugares en

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donde están en campos abiertos al aire libre, no se recomiendan en lugares residenciales o en ciudades). Para seleccionar o especificar una planta eléctrica, es necesario detallar los siguientes aspectos (observar las normas NFPA –National FIRE Protection Associattion, y EGSA – Electrical Generating Systems Associattion): A. Motor. Especificar tipo de combustible. Cilindrada (cm3) y tipo de desplazamiento (cilindros en línea o en V). Potencia en HP (mínimo) (indicar la velocidad en RPM). Tipo de aspiración: turbocargado o directa. Indicar tipo de sistema de enfriamiento y tipo de sistema de lubricación. B. Generador eléctrico. Tipo de excitación: imanes permanentes. Potencia de emergencia en KW. Potencia principal o real en KW (mínima). Capacidad de arranque en KVA (mínimo). Aceptación de carga en un solo paso 100%. C. Panel de Control El equipo debe estar provisto de un panel que tenga alarmas de bajo nivel de aceite del motor, temperatura del motor, dispositivos de protección contra bajo nivel de agua del sistema de enfriamiento, temperatura del sistema de enfriamiento, sensores de variaciones de voltaje de salida, variaciones de la frecuencia de salida. El sistema podrá incluir algunas otras alarmas adicionales. D. Cargador de baterías Debe ser del tipo automático flotante, que mantiene a plena carga las baterías para el arranque, alta capacidad de corriente, con dispositivos automáticos de compensación de temperatura. El mismo debe formar parte integral del equipo. (Existen otros tipos de cargadores de baterías, pero éste es el que mejores resultados ha mostrado en la práctica). E. Baterías La empresa debe proveer al menos un juego de baterías con el equipo y un juego adicional, sin activar para tener en stock (las baterías adicionales son opcionales). Las baterías deben ser del tipo y características indicadas por el fabricante del equipo. F. Switch de transferencia Es el dispositivo que permite conmutar en forma automática entre la planta o la red pública, para alimentar el edificio. Las especificaciones de este Switch de

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transferencia dependen de la potencia o capacidad de generación y tensión a suplir. Como mínimo debe especificarse: Voltajes de entrada y salida. Capacidad de corriente. Si es automática o manual (por lo general los fabricantes de plantas ofrecen un Switch de transferencia Standard para cada tipo de planta). G. Tanque de Combustible Se especifica el tamaño para el funcionamiento continuo de la planta por una cantidad mínima de horas (autonomía), tiempo que debe responder a las necesidades del edificio. Como opcional se puede pedir que esté equipado con: indicador de nivel de combustible, método capilar o electrónico respiradero de gases con pantalla, válvula de suministro y drenaje de combustible, acoples de manguera para suministro y retorno, y bomba eléctrica para suministro con interruptor de nivel, incorporada o como accesorio. Se debe además indicar la capacidad volumétrica del tanque en litros. H. Instalación Eléctrica Por lo general, la empresa que provee la planta, ofrece el servicio de instalación eléctrica. Así, deben especificarse las condiciones o características y requisitos mínimos requeridos según las normas EGSA y NFPA o el NEC (Código Eléctrico). Forman parte de esta instalación las pruebas de calibración, puesta en operación y lubricación. I. Instalación Mecánica y Obra civil El sistema de escape de gases debe cumplir la norma NFPA 204M, y debe tener silenciador (hay varios tipos, se selecciona según la necesidad de nivel de ruido ambiental). 1.5. CIRCUITOS TRIFASICOS [5], [7] La principal aplicación para los circuitos trifásicos se encuentra en la distribución de la energía eléctrica por parte de la compañía de luz a la población. Nikola Tesla probó que la mejor manera de producir, transmitir y consumir energía eléctrica era usando circuitos trifásicos. Algunas de las razones por las que la energía trifásica es superior a la monofásica son: • La potencia corriente de línea de un motor trifásico es aproximadamente 150% menor que la de un motor monofasico de la misma potencia, pero de voltaje L-L

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(Línea - Línea), Además después de 2 HP prácticamente todos los motores son trifásicos.

• En un sistema trifásico balanceado los conductores necesitan ser el 75% del tamaño que necesitarían para un sistema monofásico con la misma potencia en VA por lo que esto ayuda a disminuir los costos y por lo tanto a justificar el tercer cable requerido.

• La potencia proporcionada por un sistema monofásico cae tres veces por ciclo. La potencia proporcionada por un sistema trifásico nunca cae a cero por lo que la potencia enviada a la carga es siempre la misma.

En las siguientes figuras (Figura 24 y Figura 25) se ilustran las formas de onda de la potencia instantánea en un sistema monofásico y en un sistema trifásico:

Figura 24: Potencia en sistema monofásico.

(P11(t) y P12(t) son potencias a las impedancias de carga monofásica y P1T(t) es la potencia total)

Figura 25: Potencia en sistema trifásico (P31(t), P32(t) y P33(t) son potencias a las impedancias trifásicas y P3T(t) es la potencia total)

1.5.1. Voltajes trifásicos balanceados 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°.

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En un sistema trifásico balanceado la suma de los voltajes es igual a cero:

Va + Vb + Vc = 0

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.

1.5.2. Voltajes de fase Cada bobina del generador puede ser representada como una fuente de voltaje senoidal. Para identificar a cada voltaje se les da el nombre de voltaje de la fase a, de la fase b y de la fase c, como se muestra en la siguiente Figura 26:

Figura 26: Voltajes de fase en circuito trifásico

1.5.3. Secuencia de fase positiva Por convención se toma siempre como voltaje de referencia al voltaje de fase a. Cuando el voltaje de fase b está retrasado del voltaje de fase a 120° y el voltaje de fase c está adelantado al de fase a por 120°, se dice que la secuencia de fase es positiva. En esta secuencia de fase los voltajes alcanzan su valor pico en la secuencia a-b-c.

Los voltajes de a, b y c representados con fasores son los siguientes:

En donde Vm es la magnitud del voltaje de la fase a.

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1.5.4. Secuencia de fase negativa En la secuencia de fase negativa el voltaje de fase b está adelantado 120° al de la fase a y el voltaje de fase c está atrasado 120° al de la fase a.

1.5.5. Neutro Normalmente los generadores trifásicos están conectados en Y para así tener un punto neutro en común a los tres voltajes. Raramente se conectan en delta los voltajes del generador ya que en conexión en delta los voltajes no están perfectamente balanceados provocando un voltaje neto entre ellos y en consecuencia una corriente circulando en la delta.

1.5.6. Partes de un circuito trifásico En la Figura 27 se muestran las tres principales divisiones de un circuito trifásico:

Figura 27: Partes de circuito trifásico [30]

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En la Figura 28 se ilustran las impedancias de un circuito trifásico:

Figura 28: Impedancias de circuito trifásico [30] En la Figura 29 se muestran las diferentes mediciones de voltaje posibles, en un circuito trifásico:

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Figura 29: Mediciones en circuito trifásico [30]

1.5.7. Potencia activa Los diferentes dispositivos eléctricos convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, quimica, etc. A la energía consumida por dichos dispositivos, que es capaz de producir trabajo útil, se le conoce como potencia activa y es similar a la energía consumida por una resistencia eléctrica; su símbolo es P y sus unidades son los Watts (W).

1.5.8. Potencia reactiva Además de utilizar potencia activa para producir un trabajo, los motores, transformadores y demás equipos similares requieren un suministro de potencia reactiva para generar el campo magnético necesario para su funcionamiento. La

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potencia reactiva no produce por si misma ningún trabajo; se simboliza con la letra Q y sus unidades son los volts-ampers reactivos (VAR).

1.5.9. Potencia aparente La potencia total o aparente es la suma geométrica de las potencias activa y reactiva, o bien, el producto de la corriente y el voltaje; su símbolo es S y sus unidades se expresan en volts-ampers (VA).

1.5.10. Triángulo de potencias Se debe tener en cuenta que el triangulo de potencias solo aplica para cargas monofásicas y lineales. Para cargas no lineales, cargas trifásicas desbalanceadas o con núcleos magnéticos saturados, se debe trabajar con valores TRUE RMS y THD (contenido total de armónicos). La Figura 30 puede ser usada para ilustrar las diferentes formas de potencia eléctrica:

Figura 30: Triangulo de potencias

De la figura anterior se observa:

22 QPS +=

además:

SPCos =φ

1.5.11. Factor de Potencia Se denomina factor de potencia al cociente entre la potencia activa y la potencia aparente, que es coincidente con el coseno del ángulo entre la tensión y la corriente cuando la forma de onda es sinusoidal pura. O es simplemente el nombre dado a la relación de la potencia activa usada en un circuito, expresada en

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vatios o kilovatios (KW), a la potencia aparente que se obtiene de las líneas de alimentación, expresada en voltio-amperios o kilovoltio-amperios (KVA).

Las cargas industriales en su naturaleza eléctrica son de caracter reactivo a causa de la presencia principalmente de equipos de refrigeración, motores, etc. Este caracter reactivo obliga que junto al consumo de potencia activa (KW) se sume el de una potencia llamada reactiva (KVAR), las cuales en su conjunto determinan el comportamiento operacional de dichos equipos y motores. Esta potencia reactiva ha sido tradicionalmente suministrada por las empresas de electricidad, aunque puede ser suministrada por las propias industrias. Al ser suministradas por las empresas de electricidad deberá ser producida y transportada por las redes, ocasionando necesidades de inversión en capacidades mayores de los equipos y redes de transmisión y distribución. Todas estas cargas industriales necesitan de corrientes reactivas para su operación.

La potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos, es necesaria para producir el flujo electromagnético que pone en funcionamiento elementos tales como: motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración y otros similares. Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable los requerimientos de potencia reactiva también se hacen significativos, lo cual produce una disminución exagerada del factor de potencia. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:

• Un gran número de motores.

• Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado.

• Una subutilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria.

• Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria.

Cargas puramente resistivas, tales como alumbrado incandescente, resistencias de calentamiento, etc. no causan este tipo de problema ya que no necesitan de la corriente reactiva.

El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce los siguientes inconvenientes:

Al suscriptor:

• Aumento de la intensidad de corriente.

• Pérdidas en los conductores y fuertes caídas de tensión.

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• Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción de su vida útil y reducción de la capacidad de conducción de los conductores.

• La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida de su aislamiento.

• Aumentos en sus facturas por consumo de electricidad.

A la empresa distribuidora de energía:

• Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor, para poder entregar esa energía reactiva adicional.

• Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva.

• Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede afectar la estabilidad de la red eléctrica.

Una forma de que las empresas de electricidad a nivel nacional e internacional hagan reflexionar a las industrias sobre la conveniencia de generar o controlar su consumo de energía reactiva ha sido a través de un cargo por demanda, facturado en Bs./KVA, es decir cobrándole por capacidad suministrada en KVA. Factor donde se incluye el consumo de los KVAR que se entregan a la industria.

Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores sincrónicos disponibles en la industria (algo menos económico si no se dispone de ellos).

A continuación se explica brevemente el principio de cómo se mejora el factor de potencia:

El consumo de KW y KVAR (KVA) en una industria se mantienen inalterables antes y después de la compensación reactiva (instalación de los condensadores), la diferencia estriba en que al principio los KVAR que esa planta estaba requiriendo, debían ser producidos, transportados y entregados por la empresa de distribución de energía eléctrica, lo cual como se ha mencionado anteriormente, le produce consecuencias negativas.

Pero esta potencia reactiva puede ser generada y entregada de forma económica, por cada una de las industrias que lo requieran, a través de los bancos de capacitores y/o motores sincrónicos, evitando a la empresa de distribución de energía eléctrica el generarla, transportarla y distribuirla por sus redes.

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1.5.12. Trasformador de potencia tipo K Es importante tener en cuenta que para equipo electrónico sensible no se utiliza el transformador de corriente estándar, sino se utiliza un transformador conocido como tipo K, el cual trae una pantalla electroestática en su núcleo para ser puesta a tierra y reforzar el punto neutro y el conductor de neutro. Las normas recomiendan que el calibre del neutro sea del 180% al 200% del valor nominal del conductor de fase.

1.6. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE17

Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Los valores nominales de los transformadores de corriente se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser 600/5, 800/5, 1000/5. Los valores nominales de los transformadores de corriente son de 5 A y 1 A. El primario de estos transformadores se conecta en serie con la carga, y la carga de este transformador está constituida solamente por la impedancia del circuito que se conecta a él.

1.6.1. Tipos de construcción Los tipos de transformadores de corriente son:

a. Tipo primario devanado: Consta de dos devanados primarios y secundarios totalmente aislados y montados permanentemente sobre el circuito magnético.

b. Tipo barra: Es similar al tipo primario devanado, excepto en que el primario es un solo conductor recto de tipo barra.

c. Tipo toroidal (ventana): Tiene un devanado secundario totalmente aislado y montado permanentemente sobre el circuito magnético y una ventana a través de la cual puede hacerse pasar un conductor que proporciona el devanado primario.

17 Ver hoja de especificaciones en Anexo A.

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d. Tipo para bornes: Es un tipo especial toroidal proyectado para colocarse en los bornes aislados de los aparatos, actuando el conductor del borne como devanado primario.

Los transformadores de corriente se clasifican de acuerdo con el aislamiento principal usado, como de tipo seco, rellenos de compuestos, moldeados o en baño de líquido.

1.6.2. Circuito equivalente El circuito equivalente de un transformador de corriente es el siguiente:

Figura 31: Circuito equivalente del transformador de corriente. Donde, Yo: admitancia de excitación. Z2: Impedancia de carga. Zeq: Impedancia equivalente referida al secundario. 1.7. MICROCONTROLADORES Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador. Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:

• Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso). • Memoria RAM para Contener los datos. • Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM. • Líneas de E/S para comunicarse con el exterior. • Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas

Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.).

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• Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema.

Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador disponen de las siguientes ventajas:

• Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considerable en el mismo.

• Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes.

• Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks.

• Mayor flexibilidad: las características de control están programadas por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de instrucciones.

El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el nombre de controlador empotrado (embedded controller).

1.7.1. Diferencia entre microprocesador y microcontrolador El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), también llamada procesador de un computador. La UCP está formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones y el camino de datos, que las ejecuta. Los pines de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la memoria y los módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine. Su configuración se ilustra en la Figura 32:

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Figura 32: Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador La disponibilidad de los buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicación. Si solo se dispusiera de un modelo de microcontrolador, éste debería tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las diferentes aplicaciones. Esta potenciación supondría en muchos casos un despilfarro. En la práctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a utilizar.

Figura 33: El microcontrolador es un sistema cerrado Todas las partes del computador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos.

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1.7.2. Requisitos de aplicación Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la aplicación:

1.7.2.1. Procesamiento de datos Puede ser necesario que el microcontrolador realice cálculos críticos en un tiempo limitado. En ese caso se debe asegurar de seleccionar un dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro lado, habrá que tener en cuenta la precisión de los datos a manejar: si no es suficiente con un microcontrolador de 8 bits, puede ser necesario acudir a microcontroladores de 16 ó 32 bits, o incluso a hardware de coma flotante. Una alternativa más económica y quizá suficiente es usar librerías para manejar los datos de alta precisión.

1.7.2.2. Entrada Salida Para determinar las necesidades de Entrada/Salida del sistema es conveniente dibujar un diagrama de bloques del mismo, de tal forma que sea sencillo identificar la cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez realizado este análisis puede ser necesario añadir periféricos hardware externos o cambiar a otro microcontrolador más adecuado a ese sistema.

1.7.2.3. Consumo Algunos productos que incorporan microcontroladores están alimentados con baterías y su funcionamiento puede ser tan vital como activar una alarma antirrobo. Lo más conveniente en un caso como este puede ser que el microcontrolador esté en estado de bajo consumo pero que despierte ante la activación de una señal (una interrupción) y ejecute el programa adecuado para procesarla.

1.7.2.4. Memoria Para detectar las necesidades de memoria de esta aplicación se debe separar en memoria volátil (RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM, etc.) y memoria no volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoria puede ser útil para incluir información específica de la aplicación como un número de serie o parámetros de calibración. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede ser imprescindible realizar una versión preliminar, aunque sea en pseudo-código, de la aplicación y a partir de ella hacer una estimación de cuánta memoria volátil y no volátil es necesaria y si es conveniente disponer de memoria no volátil modificable.

1.7.2.5. Ancho de palabra El criterio de diseño debe ser seleccionar el microcontrolador de menor ancho de palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación. Usar un

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microcontrolador de 4 bits supondrá una reducción en los costes importante, mientras que uno de 8 bits puede ser el más adecuado si el ancho de los datos es de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32 bits, debido a su elevado costo, deben reservarse para aplicaciones que requieran sus altas prestaciones (Entrada/Salida potente o espacio de direccionamiento muy elevado).

1.7.2.6. Diseño de la placa La selección de un microcontrolador concreto condicionará el diseño de la placa de circuitos. Debe tenerse en cuenta que quizá usar un microcontrolador barato encarezca el resto de componentes del diseño.

1.7.3. Arquitectura básica Aunque inicialmente todos los microcontroladores adoptaron la arquitectura clásica de Von Neumann, en el momento presente se impone la arquitectura Harvard. La arquitectura de Von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control). La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes una, que contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias.

Figura 34: Diagrama de arquitectura Harvard Los microcontroladores PIC responden a la arquitectura Harvard.

1.7.3.1. El procesador o UCP Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software.

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Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operación que implica la instrucción, así como la búsqueda de los operandos y el almacenamiento del resultado. Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los procesadores actuales. CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo). Disponen de más de 80 instrucciones máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución. Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan como macros. RISC: Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los microcontroladores están enfocándose hacia la filosofía RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el repertorio de instrucciones máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y generalmente, se ejecutan en un ciclo. La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware y el software del procesador. SISC: En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido es "específico", o sea, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta filosofía se ha bautizado con el nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico).

1.7.3.2. Memoria En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip. Una parte debe ser tipo ROM (no volátil), y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM (volátil), y se destina a guardar las variables y los datos. Hay dos peculiaridades que diferencian a los microcontroladores de los computadores personales:

• No existen sistemas de almacenamiento masivo como disco duro o disquetes. Como el microcontrolador sólo se destina a una tarea en la memoria ROM, sólo hay que almacenar un único programa de trabajo.

• La RAM en estos dispositivos es de poca capacidad pues sólo debe contener las variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa. Por otra parte, como sólo existe un programa

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activo, no se requiere guardar una copia del mismo en la RAM pues se ejecuta directamente desde la ROM.

Los usuarios de computadores personales están habituados a manejar Megabytes de memoria, pero, los diseñadores con microcontroladores trabajan con capacidades de ROM comprendidas entre 512 bytes y 8 k bytes y de RAM comprendidas entre 20 y 512 bytes. Según el tipo de memoria ROM que dispongan los microcontroladores, la aplicación y utilización de los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de memoria no volátil que se pueden encontrar en los microcontroladores del mercado. 1. ROM con máscara Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip. El elevado coste del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan cantidades superiores a varios miles de unidades. 2. OTP (One Time Programmable) El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura "programable una sola vez" por el usuario. Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde un PC. La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas. Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante fusibles para proteger el código contenido. 3. EPROM Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material plástico. 4. EEPROM Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie.

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Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan "grabadores en circuito" que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo. El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es recomendable una reprogramación continua. Son muy idóneos para la enseñanza y la Ingeniería de diseño. Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables para guardar y modificar cómodamente una serie de parámetros que adecuan el dispositivo a las condiciones del entorno. Este tipo de memoria es relativamente lenta. 5. FLASH Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM. La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura/borrado. Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los microcontroladores que las incorporan puedan ser reprogramados "en circuito", es decir, sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta. Así, un dispositivo con este tipo de memoria incorporado al control del motor de un automóvil permite que pueda modificarse el programa durante la rutina de mantenimiento periódico, compensando los desgastes y otros factores tales como la compresión, la instalación de nuevas piezas, etc. La reprogramación del microcontrolador puede convertirse en una labor rutinaria dentro de la puesta a punto.

1.7.3.3. Puertas de Entrada y Salida La principal utilidad de los pines que posee la cápsula que contiene un microcontrolador es soportar las líneas de E/S que comunican al computador interno con los periféricos exteriores.

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Según los controladores de periféricos que posea cada modelo de microcontrolador, las líneas de E/S se destinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control.

1.7.3.4. Reloj principal Todos los microcontroladores disponen de un circuito oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la sincronización de todas las operaciones del sistema. Generalmente, el circuito de reloj está incorporado en el microcontrolador y sólo se necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo. Dichos componentes suelen consistir en un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C. Aumentar la frecuencia de reloj supone disminuir el tiempo en que se ejecutan las instrucciones pero adicionalmente genera un incremento del consumo de energía.

1.7.3.5. Recursos especiales Cada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura básica de microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las memorias, en otras incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplicaciones muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el modelo mínimo que satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma se minimizará el costo, el hardware y el software. Los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son: • Temporizadores o "Timers". • Perro guardián o "Watchdog". • Protección ante fallo de alimentación o "Brownout". • Estado de reposo o de bajo consumo. • Conversor A/D. • Conversor D/A. • Comparador analógico. • Modulador de anchura de impulsos o PWM. • Puertas de E/S digitales. • Puertas de comunicación.

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1.7.3.6. Temporizadores o "Timers" Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores). Para la medida de tiempos se carga un registro con el valor adecuado y a continuación dicho valor se va incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de reloj o algún múltiplo hasta que se desborde y llegue a 0, momento en el que se produce un aviso. Cuando se desean contar acontecimientos que se materializan por cambios de nivel o flancos en alguna de los pines del microcontrolador, el mencionado registro se va incrementando o decrementando al ritmo de dichos impulsos.

1.7.3.7. Perro guardián o "Watchdog" Cuando el computador personal se bloquea por un fallo del software u otra causa, se pulsa el botón del reset y se reinicializa el sistema. Pero un microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de forma continuada las 24 horas del día. El Perro guardián consiste en un temporizador que, cuando se desborda y pasa por 0, provoca un reset automáticamente en el sistema. Se debe diseñar el programa de trabajo que controla la tarea de forma que refresque o inicialice al Perro guardián antes de que provoque el reset. Si falla el programa o se bloquea, no se refrescará al Perro guardián y, al completar su temporización, "ladrará y ladrará" hasta provocar el reset.

1.7.3.8. Protección ante fallo de alimentación o "Brownout" Se trata de un circuito que reinicia al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo ("brownout"). Mientras el voltaje de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene “reseteado”, comenzando a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor.

1.7.3.9. Estado de reposo ó de bajo consumo Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que se produzca algún acontecimiento externo que le ponga de nuevo en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor clave en los aparatos portátiles), los microcontroladores disponen de una instrucción especial (SLEEP en los PIC), que les pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos. En dicho estado se detiene el reloj principal y se "congelan" sus circuitos asociados, quedando sumido en un profundo "sueño" el microcontrolador. Al activarse una interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo.

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1.7.3.10. Conversor A/D (CAD) Los microcontroladores que incorporan un Conversor A/D (Analógico/Digital) pueden procesar señales analógicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del CAD diversas señales analógicas desde los pines del circuito integrado.

1.7.3.11. Conversor D/A (CDA) Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su correspondiente señal analógica que saca al exterior por una de los pines de la cápsula. Existen muchos periféricos que trabajan con señales analógicas.

1.7.3.12. Comparador analógico Algunos modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra variable que se aplica por una de los pines de la cápsula. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra. También hay modelos de microcontroladores con un módulo de tensión de referencia que proporciona diversas tensiones de referencia que se pueden aplicar en los comparadores.

1.7.3.13. Modulador de anchura de impulsos o PWM Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se ofrecen al exterior a través de los pines del encapsulado.

1.7.3.14. Puertos de E/S digitales Todos los microcontroladores destinan algunos de sus pines a soportar líneas de E/S digitales. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertos. Las líneas digitales de los Puertos pueden configurarse como Entrada o como Salida cargando un 1 ó un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su configuración.

1.7.3.15. Puertos de comunicación Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comunicarse con otros dispositivos externos, otros buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y

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protocolos. Algunos modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que destacan:

• UART, adaptador de comunicación serie asíncrona. • USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona. • Puerta paralela esclava para poder conectarse con los buses de otros

microprocesadores. • USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC. • Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips. • CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de

conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O.

1.7.4. Herramientas para desarrollo de aplicaciones Uno de los factores que más importancia tiene a la hora de seleccionar un microcontrolador entre todos los demás es el soporte tanto software como hardware de que dispone. Un buen conjunto de herramientas de desarrollo puede ser decisivo en la elección, ya que pueden suponer una ayuda inestimable en el desarrollo del proyecto.

1.7.4.1. Desarrollo del software Las principales herramientas de ayuda al desarrollo de sistemas basados en microcontroladores son:

1.7.4.1.1. Ensamblador La programación en lenguaje ensamblador puede resultar un tanto ardua para el principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versión gratuita para los microcontroladores más populares.

1.7.4.1.2. Compilador La programación en un lenguaje de alto nivel (como el C ó el Basic) permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se programa con cuidado, el código resultante puede ser mucho más ineficiente que el programado en ensamblador. Las versiones más potentes suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos.

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1.7.4.1.3. Depuración Debido a que los microcontroladores van a controlar dispositivos físicos, los desarrolladores necesitan herramientas que les permitan comprobar el buen funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos.

1.7.4.1.4. Simulador Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos. Su gran inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador. Tampoco cuentan con los posibles ruidos en las entradas, pero, al menos, permiten el paso físico de la implementación de un modo más seguro y menos costoso.

1.7.4.1.5. Placas de evaluación Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen conectarse a un PC desde el que se cargan los programas que se ejecutan en el microcontrolador. Las placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil acceso a los pines de E/S, etc. El sistema operativo de la placa recibe el nombre de programa monitor. El programa monitor de algunas placas de evaluación, aparte de permitir cargar programas y datos en la memoria del microcontrolador, puede permitir en cualquier momento realizar ejecución paso a paso, monitorizar el estado del microcontrolador o modificar los valores almacenados los registros o en la memoria.

1.7.4.1.6. Emuladores en circuito Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo. El programa es ejecutado desde el PC, pero para la tarjeta de aplicación es como si lo hiciera el mismo microcontrolador que luego irá en el zócalo. Presenta en pantalla toda la información tal y como luego sucederá cuando se coloque la cápsula.

1.7.4.2. Entorno de desarrollo MPLAB MPLAB es un conjunto de herramientas para el desarrollo y depuración de aplicaciones en un proyecto. MPLAB incluye un editor de texto, un manejador de proyectos para mantener el código organizado y un ambiente para depurar el software que se desarrolla en los diseños. Este ambiente incluye el simulador MPLAB-SIM, y soporta otras herramientas de Microchip tales como el emulador PICMASTER y el programador de dispositivos PICSTART Plus.

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El manejador de proyectos es la parte central del MPLAB. Sin la creación de un proyecto no se puede hacer depuración alguna. A través del manejador de proyectos se hacen las siguientes operaciones: · Crear un proyecto. · Añadir un archivo de código fuente a un proyecto. · Ensamblar o compilar código fuente. · Editar código fuente. · Reconstruir todos los archivos fuente, o compilar un archivo sencillo. · Depurar el código fuente. El Editor de MPLAB permite a los programadores escribir y editar código fuente para las familias de microcontroladores PIC, así como otros archivos de texto. El Ensamblador Universal de Microcontroladores PIC MPASM ofrece grandes características completamente desarrolladas, ensamblado condicional y de diferentes fuentes y lista de formatos. MPASM permite generar varios formatos de código objeto que soportan las herramientas de desarrollo de Microchip así como los programadores relacionados sin salir de MPLAB.

1.7.4.2.1. Funciones de MPLAB Después de ajustar y compilar un proyecto en MPLAB, se procede a ver como corre el código. Si se cuenta con un programador, se puede programar un microcontrolador y conectarlo en la aplicación actual para verificar que la aplicación funciona como se esperaba. Comúnmente, una aplicación no funciona correctamente la primera vez, y se tendrá que depurar el código. Se puede usar el MPLAB-SIM para simular el código o se puede usar el emulador PICMASTER para correr la aplicación actual mientras se depura. De otra manera, se pueden usar puntos de ruptura para ver cómo corre el código. Observar los valores de los registros en la ventana de Registros o la ventana de Registros de funciones especiales para ver el estado del procesador tal y como funcionaría el código paso por paso. 1.8. LENGUAJE DE PROGRAMACION VISUAL BASIC

Visual Basic es uno de los tantos lenguajes de programación que se encuentran hoy en día. Dicho lenguaje nace del BASIC (Beginner´s All-purpose Symbolic Instruction Code) que fue creado en su versión original en el Dartmouth College, con el propósito de servir a aquellas personas que estaban interesadas en

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iniciarse en algún lenguaje de programación. Luego de sufrir varias modificaciones, en el año 1978 se estableció el BASIC estándar. La sencillez del lenguaje ganó el desprecio de los programadores avanzados por considerarlo "un lenguaje para principiantes".

Primero fue GW-BASIC, luego se transformó en QuickBASIC y actualmente se lo conoce como Visual Basic y la versión más reciente es la 6 que se incluye en el paquete Visual Studio 6 de Microsoft. Esta versión combina la sencillez del BASIC con un poderoso lenguaje de programación Visual que juntos permiten desarrollar robustos programas de 32 bits para Windows. Esta fusión de sencillez y la estética permitió ampliar mucho más el monopolio de Microsoft, ya que el lenguaje sólo es compatible con Windows, un sistema operativo de la misma empresa.

Visual Basic ya no es más "un lenguaje para principiantes" sino que es una perfecta alternativa para los programadores de cualquier nivel que deseen desarrollar aplicaciones compatibles con Windows.

1.8.1. Características de Visual Basic Visual-Basic es una herramienta de diseño de aplicaciones para Windows, en la que estas se desarrollan en una gran parte a partir del diseño de una interface gráfica. En una aplicación Visual Basic, el programa está formado por una parte de código puro, y otras partes asociadas a los objetos que forman la interface gráfica. Es por tanto un término medio entre la programación tradicional, formada por una sucesión lineal de código estructurado y la programación orientada a objetos. Combina ambas tendencias, ya que no se puede decir que Visual Basic pertenece por completo a uno de esos dos tipos de programación. La creación de un programa bajo Visual Basic lleva los siguientes pasos:

• Creación de un interface de usuario. Este interface es la principal vía de comunicación hombre máquina, tanto para salida de datos como para entrada. Es necesario partir de una ventana -Formulario- a la que se le añaden los controles necesarios.

• Definición de las propiedades de los controles -Objetos- que se hayan colocado en ese formulario. Estas propiedades determinan la forma estática de los controles, es decir, como son los controles y para qué sirven.

• Generación del código asociado a los eventos que ocurran a estos objetos.

A la respuesta a estos eventos (click, doble click, una tecla pulsada, etc.) se les llama procedimiento y debe generarse de acuerdo a las necesidades del programa.

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• Generación del código del programa. Un programa puede hacerse solamente con la programación de los distintos procedimientos que acompañan a cada objeto. Sin embargo, Visual Basic ofrece la posibilidad de establecer un código de programa separado de estos eventos. Este código puede introducirse en unos bloques llamados módulos, en otros bloques llamados funciones y otros llamados procedimientos. Estos procedimientos no responden a un evento relacionado con un objeto, sino que responden a un evento producido durante la ejecución del programa.

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Visual Basic ofrece las siguientes posibilidades:

Diseñador de entorno de datos: Es posible generar de manera automática, conectividad entre controles y datos mediante la acción de arrastrar y colocar sobre formularios o informes.

Los Objetos Activos son una nueva tecnología de acceso a datos mediante la acción de arrastrar y colocar sobre formularios o informes.

Asistente para formularios: Sirve para generar de manera automática formularios que administran registros de tablas o consultas pertenecientes a una base de datos, hoja de cálculo u objeto (ADO-ACTIVE DATA OBJECT).

Asistente para barras de herramientas: Es factible incluir barras de herramientas personalizadas, donde el usuario selecciona los botones que desea visualizar durante la ejecución.

Aplicaciones HTML: Se combinan instrucciones de Visual Basic con código HTML para controlar los eventos que se realizan con frecuencia en una página web.

Ventana de Vista de datos: Proporciona acceso a la estructura de una base de datos.

1.8.2. Partes del entorno de Visual Basic

• Barra de titulo: Muestra el nombre del proyecto y del formulario que se está diseñando actualmente.

• Barra de menús: Agrupa los menús despegables que contienen todas las operaciones que pueden llevarse a cabo con Visual Basic 6.0.

• Barra de herramientas estándar: Contienen los botones que se utilizan con mayor frecuencia cuando se trabaja con un proyecto. Simplifica la elección de opciones de los menús Archivo, Edición, Ver y Ejecutar; además, en el área derecha presenta la ubicación (coordenadas) y el tamaño del objeto seleccionado.

• Ventana de formulario: Es el área donde se diseña la interface gráfica, es decir, es donde se insertan gráficos, como botones, imágenes, casilla de verificación, cuadros de listas, etc.

• Cuadro de herramientas: Presenta todos los controles necesarios para diseñar una aplicación, como cuadros de texto, etiquetas, cuadros de listas, botones de comandos, etc.

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• Ventana de proyecto: Muestra los elementos involucrados en el proyecto, como formularios, módulos, controles, etc. Cada elemento puede seleccionarse en forma independiente para su edición.

• Ventana de posición del formulario: Muestra la ubicación que tendrá el formulario en la pantalla, cuando ejecute la aplicación. Esta ubicación puede cambiarse si se hace click con el botón izquierdo del ratón.

• Ventana propiedades: Muestra todas las propiedades del control actualmente seleccionado, en este caso muestra las propiedades del Form1, luego se puede ver que abajo dice "Form1 Form", lo que está en negrita es el nombre del objeto y lo que le sigue es el tipo de objeto, en este caso es un Formulario (Form).

1.8.3. Términos

• Eventos: es una acción como hacer click, doble click, presionar una tecla, mover el puntero del ratón, etc; que el usuario debe realizar para que un objeto ejecute una acción determinada. Cada control responde a diferentes eventos, algunos de ellos tienen características comunes. Los eventos pueden visualizarse en la ventana de código.

• Métodos: Son procedimientos definidos en Visual Basic para realizar operaciones especificas sobre los objetos (Controles o Formularios).

• Controles: Son los objetos que conforman la interface gráfica de un programa. A través de ellos el usuario interactúa con la aplicación. Sus características pueden cambiarse por medio de la ventana de propiedades.

• Propiedades: Son los datos que hacen referencia a un objeto o formulario.

• Objetos: Un objeto es una entidad que tiene asociado un conjunto de métodos, eventos y propiedades. Hay muchas clases de objetos y por tanto, pueden llegar a haber tantos métodos, eventos y propiedades distintas como objetos diferentes.

• Módulo: Un proyecto Visual Basic no sólo está compuesto de Formularios, sino también de módulos. Un módulo es un fichero Visual Basic donde se escribe parte del código del programa.

• Constante: Declaración de constantes que pueden ser usadas en cualquier punto en lugar de su valor, permitiendo cambiarlo cuando sea necesario, sin tener que cambiarlo en todos los sitios en que se utiliza. La expresión no puede utilizar llamadas a funciones, pues la constante se calcula en tiempo de compilación, no en tiempo de ejecución.

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1.8.4. Variables Dim: Al declarar una variable con esta palabra se hace referencia a que la variable es local en el ámbito en que se declara. Puede ser dentro de un procedimiento o dentro de un formulario, de esta forma no es accesible desde los demás procedimientos o formularios.

Public: Las variables declaradas son públicas y pueden ser accesibles desde todos los formularios de la aplicación. Para conseguirlo se tienen que declarar en un módulo de código, no en la sección declarations de cualquier formulario de los que consta la aplicación. Para crear un módulo de código en el menú principal de Visual Basic se marca en INSERT/MODULE y aparece junto a los demás formularios de la ventana de proyecto, aunque con un icono distinto indicando que se trata de un módulo de código.

Static: Con esta forma de declarar variables se consigue que las variables locales no se creen y se destruyan al entrar y salir de los procedimientos donde fueron declaradas, sino que se mantiene su valor durante todo el periodo de ejecución de la aplicación. De esta forma al entrar en algún procedimiento las variables recuerdan el valor que tenían cuando se salió de él.

TIPO COMENTARIO

BOOLEAN Sólo admite 2 valores TRUE o FALSE.

BYTE Admite valores entre 0 y 255.

INTEGER Admite valores entre -32768 y 32767.

LONG Admite valores entre -2.147.483.648 y 2.147.483.647.

SINGLE Admite valores decimales con precisión simple.

DOUBLE Admite valores decimales de doble precisión.

CURRENCY Válido para valores de tipo moneda.

STRING Cadenas de caracteres.

DATE Fechas, permite operar con ellas.

Tabla 5: Tipos de variables

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2. ESPECIFICACIONES

2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL

El sistema de monitoreo desempeña tres funciones básicas, las cuales se describen a continuación:

2.1.1. Adquisición de señales externas y procesamiento de datos Labor realizada por el subsistema de adquisición de señales y llevada a cabo específicamente por los sensores, transductores, y por el microcontrolador principal el cual realiza todo el procesamiento de datos, para ser transmitidos hacia el subsistema de almacenamiento de datos.

2.1.2. Transporte de datos Como fabricantes del sistema de monitoreo es fundamental que el transporte de los datos se realice de una manera transparente en ambos extremos, ya que considerando las complicadas condiciones de acceso para una gran mayoría de los nodos posibles a monitorear, es fundamental lograr la comunicación de una manera eficiente entre los extremos involucrados.

Siendo éste un factor crítico dentro del sistema de monitoreo y teniendo en cuenta que con el proyecto se genera una herramienta para conocer desde los eventos iniciales dentro del sistema eléctrico de los nodos, es importante tener en cuenta que será delimitado por el adecuado funcionamiento de la red de transporte de la empresa18. Específicamente, si se presenta un problema a nivel troncal ajeno a situaciones eléctricas de los nodos, se perderá en ese momento la gestión del sistema de monitoreo ya que el medio por el cual se transportan los datos está siendo interrumpido. Pero también servirá como una herramienta para el personal encargado del manejo de la red, para generar un acercamiento del origen de una determinada falla que se presente; esto ya que si llega a ocurrir un evento a nivel troncal como el mencionado anteriormente, se puede verificar el sistema de monitoreo y buscar alarmas en el intervalo de tiempo anterior a la ocurrencia de la falla y de no encontrar reportes, se podrá intuir altamente que se trata de problemas a nivel de comunicaciones y no por razones de infraestructura eléctrica.

18 Para el caso de implementación real en un nodo de comunicaciones.

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Adicionalmente hay que tener en cuenta que el sistema de monitoreo tiene como uno de los principales propósitos el generar las alarmas desde el primer evento anormal que se genere en la red, para lograr hacer seguimiento a todo el sistema de soporte eléctrico y poder verificar su adecuado funcionamiento; así que no habría problema frente a la perdida de comunicación ya que antes de generarse una caída completa por fallas atribuibles al factor eléctrico, se debe generar una secuencia mínima de eventos que tienen que ser registrados en el sistema desarrollado y la idea es tener la herramienta para que los operadores actúen acertadamente antes de presentarse la consecuencia final del evento, que sería la perdida total de la comunicación.

2.1.3. Análisis de datos y generación de alarmas Después de tener los datos enviados desde el punto remoto, el software desarrollado en el subsistema de almacenamiento de datos realiza en general la labor de comparación de todos los valores recibidos con los rangos especificados como válidos y de acuerdo a esto, genera las respectivas alarmas visuales y así mismo lleva a cabo el registro en la base de datos.

Sin embargo para el usuario final sólo van a existir dos operaciones principales de interés, que son la de adquisición de los datos de las variables en el sitio remoto y la más importante para él, que es la de mostrar la información de una manera eficiente y fácil de entender en la pantalla donde se despliegue la interface gráfica. 2.2. DESCRIPCIÓN DEL DIAGRAMA EN BLOQUES

El sistema de monitoreo, consta de tres subsistemas claramente identificados que han sido desarrollados de acuerdo a los requerimientos propuestos. Estos se muestran a continuación en el diagrama en bloques general, donde se enlazan las funciones del sistema (anteriormente mencionadas), a cada uno de los bloques especificados:

Figura 35: Diagrama en bloques del sistema de monitoreo

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Teniendo en cuenta la complejidad de los subsistemas planteados, a continuación se ilustran los diagramas en bloques de cada uno de ellos, lo cual generará un entendimiento más claro del sistema en general. El sistema de manera global realiza un proceso de almacenamiento de datos y procesamiento de acuerdo a las variables especificadas19, a través del subsistema de adquisición de señales el cual consta principalmente de dos microcontroladores Microchip PIC18F452 de los cuales uno está específicamente centrado en la adquisición de las señales y la transmisión serial de los datos hacia el subsistema de comunicaciones; el otro está realizando las labores de visualización local de la información, es decir que éste se encarga de recibir en tiempo real la información del microcontrolador principal y realizar toda la rutina para desplegar la información en un visualizador local el cual permite conocer todas las variables en el sitio. Se realizó dicha independización con el fin de generar robustecimiento en el proceso de adquisición de alarmas y transmisión serial, ya que como se está realizando la visualización local se generan interrupciones constantemente y podría haber problemas de prioridad con respecto a la transmisión serial. Adicionalmente dentro del subsistema de adquisición de señales son fundamentales los sensores y transductores utilizados, ya que de éstos dependen en gran medida la efectividad y exactitud de los valores entregados. A continuación se ilustra el diagrama general del subsistema de adquisición de señales donde se muestran las señales de entrada y salida:

Figura 36: Diagrama del subsistema de adquisición de señales Después de que el subsistema de adquisición tiene todos los datos, éstos son enviados al subsistema de comunicación el cual se encarga de transportarlos a

19 Las variables monitoreadas por el sistema se encuentran especificadas en la sección: 2.3.VARIABLES MONITOREADAS.

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través de la red de transporte20 para ser entregados al subsistema de almacenamiento de datos, el cual se encuentra en el punto de concentración que podría estar ubicado en el centro de gestión de la empresa. En dicho transporte se ven involucrados diferentes dispositivos de comunicaciones, los cuales se deben configurar para generar la respectiva conexión desde el nodo remoto hasta el com-room21 del centro de gestión, de tal modo que sea un canal transparente en ambos extremos y toda la trama de datos que se envíe desde el extremo remoto, se tenga sin modificaciones en el punto concentrador. Es importante tener en cuenta que dicho subsistema de comunicaciones se puede simular con dos enrutadores en configuración back to back, o con el montaje del subsistema de adquisición de señales en una red local y obteniendo toda la información del subsistema de almacenamiento de datos, en una computadora dentro de la misma red; aquí lo importante, es que los datos entregados desde subsistema de adquisición de señales, sean transmitidos adecuadamente a través de la red IP, y que sean recibidos por el subsistema de almacenamiento de datos, exactamente como se enviaron desde el punto remoto. Para la empresa Telefónica Colombia, una condición importante es que se entregue la información de gestión en el sitio remoto a través de una interfaz RJ-45 para poder acceder a la red de transporte propietaria, a través del puerto Ethernet de un enrutador22, y de esta manera realizar el enrutamiento para entregar los datos en un puerto Ethernet de otro enrutador ubicado en el centro de gestión o en cualquier punto deseado dentro de la red de la empresa. El diagrama general del subsistema de comunicación que se tendría en el esquema de montaje de la red de comunicaciones de la empresa, se muestra en la siguiente figura:

20 Se debe aclarar que para el prototipo desarrollado, el subsistema de comunicación será simulado bajo un esquema que se explica más adelante. Lo anterior tendiendo en cuenta que para lograr realizar las pruebas de funcionamiento del proyecto se requieren intervenir las líneas de alimentación de todo el sistema eléctrico monitoreado, y para una empresa de telecomunicaciones dichas pruebas en un nodo real son muy críticas y pueden causar problemas de disponibilidad de la red. 21 Com-room: También denominado técnicamente DATACENTER. Es el cuarto especialmente dotado con las condiciones físicas, eléctricas y ambientales donde se encuentran alojados los equipos de comunicaciones, servidores y demás sistemas operativos de las empresas de Telecomunicaciones. 22 Enrutador: Bloque de construcción básico de una interred. Un enrutador es una computadora que se conecta a dos o más redes y reenvía paquetes de acuerdo con la información encontrada en su tabla de enrutamiento. Los enrutadores de la Ethernet ejecutan el protocolo IP. http://www.glosarium.com/term/549,14,xhtml

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Figura 37: Diagrama del subsistema de comunicación

Finalmente los datos que son entregados al subsistema de almacenamiento de datos, son procesados por el software desarrollado en Microsoft Visual Basic ver. 6.0 con interface gráfica al usuario, siendo este elemento gráfico una característica muy competitiva ya que la tendencia tecnológica está enfocada cada vez más hacia generar herramientas que no sólo sean poderosas técnicamente sino que también sean amigables con el usuario y simples de usar. Dicho software trabaja con una base de datos en donde se almacena la información de los eventos que se presentan, como se explica más adelante en el capítulo 3.3. SUBSISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE DATOS. Se ha decidido delegar la función de verificación de parámetros al subsistema de almacenamiento de datos, es decir, dicho subsistema recibe las tramas con todas las variables desde el subsistema de adquisición de señales y aquí se realiza todo el procesamiento para detección y visualización de alarmas según los rangos configurados por el usuario desde la interface gráfica. De acuerdo al procesamiento que se da a la información, se generan las respectivas alarmas de acuerdo a los siguientes lineamientos:

• Los datos son enviados desde el subsistema de adquisición de señales por el microcontrolador encargado de la transmisión serial, cada tiempo t que es variable y que puede cambiarse (cinco opciones: 15 segundos, 30 segundos, 1 minuto, 2 minutos, 5 minutos y 10 minutos) desde la ventana de visualización del sistema de almacenamiento de datos. De acuerdo a estos valores que se reciben, el software compara los datos con los rangos establecidos como válidos y sólo si están fuera del rango, genera las

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respectivas alarmas visuales y realiza un registro en una base de datos denominada histórico de alarmas, la cual se podrá acceder externamente en caso de que se desee manipular para incluir en un sistema de gestión propietario.

De acuerdo a lo anterior, como primera instancia el software verifica todas las variables recibidas y en la interface gráfica las visualiza; mientras no se presenten valores fuera del rango especificado no se almacenan dichos valores en la base de datos. En caso de presentarse una alarma en el sistema, el software genera la alarma visual en la sección en donde se presente (en el bloque de red pública, planta eléctrica, transferencia automática ó UPS, según corresponda), y al mismo tiempo almacena en la base de datos en una tabla, la variable que se encuentra alarmada con su correspondiente valor (dicha tabla se denomina histórico de alarmas) y genera otra tabla adicional (denominada detalles de parámetros) en la que se almacenan los valores de todas las variables mientras esté la alarma presente. Es importante resaltar dos aspectos dentro del desempeño del software de adquisición de datos:

1. Como se mencionó anteriormente no se almacenan todos los datos que se reciben del subsistema de adquisición de señales. El software está en capacidad de realizar la verificación de todos los parámetros con respecto a los intervalos establecidos como válidos. Por tanto, sólo se realiza almacenamiento de datos cuando se generen situaciones que presenten valores fuera del rango establecido.

2. Inicialmente se pensó en generar una tabla de detalles de parámetros por

cada alarma que se presente, sin embargo hay eventos dentro de la red eléctrica donde se verán afectadas múltiples variables de las monitoreadas (por ejemplo, al presentarse una falla en la red eléctrica pública se generan alarmas del rango de voltaje RMS de cada fase, del estado ON/OFF de cada fase, de corriente RMS de cada fase y de rango de frecuencia de cada fase), por tanto se estarían generando redundantes tablas asociadas a un mismo evento, haciendo el subsistema ineficiente y complicado de manejar; de acuerdo a lo anterior, la segunda tabla que se genera de detalles de parámetros es única y es alimentada de datos únicamente cuando estén eventos presentes. Para diferenciar entre eventos diferentes se tiene un código interno que permite relacionar el histórico de alarmas con el detalle de parámetros.

A continuación se muestra el esquema del subsistema de almacenamiento de datos, con los elementos principales que intervienen en la operación del mismo:

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Figura 38: Diagrama del subsistema de almacenamiento de datos

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2.3. VARIABLES MONITOREADAS

Teniendo en cuenta la configuración eléctrica de los nodos de la empresa Telefónica Colombia S.A. se han seleccionado las variables de interés para incluir en el prototipo del sistema de monitoreo; dichas variables se especifican en la siguiente tabla:

Sistema Voltaje Corriente Contacto Seco Frecuencia

Red Eléctrica Publica

Se verifica el estado ON/OFF de cada fase y se mide voltaje RMS de cada fase.

Corriente RMS de cada fase.

No Si (en cada fase)

Se verifica el estado ON/OFF de cada fase.

No No No Planta Eléctrica

Voltaje de la Batería. No No No

Contactos secos de La

Transferencia Automática

No No Contactos auxiliares que permiten monitorear los contactos de red y de planta.

No

Voltaje RMS a la salida de la UPS. (voltajes regulados)

Corriente que se entrega a la carga por cada fase.

No No

Voltaje del banco de baterías.

No No No

Voltaje RMS entre tierra y neutro.

No No No

UPS No No No Frecuencia medida en cada fase después de la UPS.

Adicional a las variables anteriores se incluye la medición del factor de potencia en las fases de la red eléctrica pública23:

Sistema Variable

Red eléctrica pública Factor de Potencia en cada fase

Tabla 6: Variables monitoreadas 23 Se debe aclarar que para las mediciones de Factor de Potencia, sólo se debe habilitar una (1) fase a la vez, como se explica en la sección: 3.1.2.6.4. Interrupciones utilizadas para la medición de Energía en el dispositivo ADE7758.

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2.4. CONDICIONES DE TRABAJO Y ESPECIFICACIONES DE MEDIDAS

De acuerdo a las características de los componentes utilizados para el desarrollo del subsistema de adquisición de señales, es importante delimitar las condiciones de trabajo adecuado del subsistema y así mismo las especificaciones de las medidas obtenidas: Temperatura: El subsistema de adquisición de señales está en condiciones de trabajar normalmente dentro de un rango de temperaturas de: -5°C hasta 55°C. Mediciones de Voltaje AC: Teniendo en cuenta que las señales adquiridas están dentro del rango de 100 VRMS a 125 VRMS en estado normal de funcionamiento, el sistema está en capacidad de medir valores desde 50 VRMS hasta 160 VRMS

24, en un rango de frecuencias de 60 ± 1 Hz, con una precisión de ± 4 VRMS. Mediciones de Voltaje DC: Para las señales de voltaje DC de la batería de arranque de la planta eléctrica se tiene un rango de medición de 0 VDC a 15 VDC con una precisión de ± 0.5 VDC. Para las señales de voltaje DC del banco de baterías de la UPS se tiene un rango de medición de 0 VDC a 225 VDC con una precisión de ± 2 VDC. Mediciones de Corriente AC: De acuerdo al rango de corrientes que se consume en los nodos de telecomunicaciones de la empresa Telefónica Colombia25, con el sistema de monitoreo se pueden medir corrientes hasta de 30 ARMS

26 por cada fase, en un rango de frecuencias de 60 ± 1 Hz, con una precisión de ± 0.3 ARMS. Mediciones de Frecuencia: En las medidas de frecuencia que se adquieren para las fases de la red eléctrica pública y para las líneas de voltaje regulado, se tiene un rango de 60 ± 10 Hz. Las medidas de frecuencia tienen una precisión de ± 0.5 Hz. 24 Dicha configuración del rango de medidas se realiza programando el rango del ADC del microcontrolador principal, por tanto si se requiere realizar una medida de un voltaje mayor simplemente se debe realizar el cálculo para ajustar la programación del microcontrolador. 25 Donde el promedio de consumo no es mayor a 20 A; a excepción del Nodo POP101 (principal) donde el consumo es superior a 100 A. 26 Delimitación impuesta por los transformadores de corriente utilizados como transductores. Para un posible caso de monitoreo del consumo en el POP101, se tendría que realizar el cambio de los sensores de corriente utilizados y así mismo la reprogramación del micro de acuerdo al rango del ADC.

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Factor de potencia: Las medidas de factor de potencia tienen un rango de 0 a 1 (adimensional), con una precisión del ± 5%. Para el software del subsistema de almacenamiento de datos, son importantes las siguientes especificaciones mínimas del equipo en el cual se ejecute: Se requiere un computador con mínimas características tales como Procesador Pentium II, 32 Megas de memoria RAM, espacio en disco duro de 1 Gigabyte para contar con capacidad de almacenamiento de las bases de datos que se generen con los reportes del sistema. Es importante aclarar que el espacio realmente requerido en el disco duro para el programa ejecutable no supera 2 Megabyte, ya que se cuenta con la alternativa de que el equipo se encuentre en red y se podrá realizar el almacenamiento de dichos datos en un servidor de gestión, como es común con la información de monitoreo. El equipo deberá tener sistema operativo desde Windows 98 en adelante, ya que el software es desarrollado en Microsoft Visual Basic 6.0. 2.5. ENTRADAS Y SALIDAS DEL SISTEMA De acuerdo a las variables monitoreadas en el sistema y la forma de visualizar las alarmas y eventos de la red, se muestra en el siguiente diagrama la relación de las entradas y salidas del sistema en forma global. Se observa en el diagrama realizado la interconexión de todas las señales de entrada al microcontrolador principal, el cual se encarga de las funciones de adquisición de datos y de transmisión serial al siguiente subsistema. También cabe resaltar la interconexión entre los dos microcontroladores, ya que aunque el otro microcontrolador sólo se encarga de realizar las rutinas para realizar la visualización local, todo el tiempo está recibiendo los datos del dispositivo principal. En la figura se muestran los grupos diferenciados por colores; es decir que todas las señales que tienen que ver con cada dispositivo externo están de un mismo color. En la figura se muestran todas las señales de entrada y salida al sistema en forma general, pero vale la pena destacar que todas las señales de entrada en el proyecto ingresan al sistema a través del subsistema de adquisición de señales, razón por la cual se ha dedicado bastante tiempo en optimizar el desempeño de éste y así mismo se resalta como parte fundamental del éxito del prototipo desarrollado, pues cada detalle en su diseño representa un factor importante a nivel global.

100

Figura 39: Diagrama de las entradas y salidas del sistema

101

3. DESARROLLO

3.1. SUBSISTEMA DE ADQUISICIÓN DE SEÑALES Como se mencionó anteriormente, este módulo representa un factor muy importante en el desempeño global del sistema de monitoreo, ya que es el módulo encargado de obtener toda la información de las variables externas y procesarla para transmitirla al extremo de almacenamiento y visualización de datos. Este módulo está compuesto únicamente por hardware, el cual consta de los siguientes componentes:

• Sensores y transductores, con los cuales se adquieren las señales externas.

• Microcontrolador encargado del procesamiento de datos y transmisión serial.

• Microcontrolador encargado del manejo de un visualizador local. • Circuitos para el acondicionamiento de las señales tomadas externamente.

A continuación, se explica cada uno de los puntos mencionados anteriormente y sus principales características de implementación.

3.1.1. Sensores y transductores De acuerdo a las variables medidas, se enuncian los elementos utilizados para adquirir las respectivas señales:

3.1.1.1. Voltaje Voltajes de la red pública:

⇒ Estado ON/OFF con circuitos integrados MID400 de Fairchild (cada fase).

⇒ Seguimiento de valor RMS de voltaje con el dispositivo ADE7758 de

Analog Devices (cada fase).

Voltajes de la planta eléctrica: Estado ON/OFF con circuitos integrados MID400 de Fairchild (cada fase).

102

Voltajes regulados (medidos después de la UPS): Seguimiento de valor RMS de voltaje con el dispositivo ADE7758 de Analog Devices (cada fase de salida de la UPS).

Voltaje de la batería de arranque de la planta eléctrica: Se mide el valor análogo de dicha variable; con un circuito atenuador se baja el voltaje al rango adecuado del ADC del microcontrolador principal de adquisición de señales.

Voltaje del banco de baterías de la UPS: A través de un contacto seco de la UPS se obtiene el voltaje del banco de baterías, el cual es simplemente un nivel de Voltaje DC; pero para una implementación real es importante considerar el contacto seco por el cual se obtiene el voltaje de las baterías, ya que no es conveniente realizar manipulación directa sobre el banco de baterías.

Voltaje Neutro – Tierra a la salida de la UPS:

Se utiliza una entrada disponible en un dispositivo ADE7758 para hacer seguimiento del valor RMS del voltaje.

3.1.1.2. Corriente Corriente de la red eléctrica pública:

Seguimiento de valor RMS de corriente con transformadores de corriente. Rango de operación: 0 – 31 A. (cada fase)

Corriente regulada (a la salida de la UPS): Seguimiento de valor RMS de corriente con transformadores de corriente. Rango de operación: 0 – 31 A. (cada fase de salida de la UPS).

3.1.1.3. Contactos secos Estado de contacto seco de red:

Ubicado en la transferencia automática, se conoce el estado con un contacto auxiliar.

Estado de contacto seco de planta: Ubicado en la transferencia automática, se conoce el estado con un contacto auxiliar.

3.1.1.4. Frecuencia Frecuencia de las fases de la red eléctrica pública:

Se mide dicho valor utilizando las herramientas del dispositivo ADE7758 (se obtiene el valor de un registro interno del dispositivo).

103

Frecuencia de las fases reguladas (a la salida de la UPS): Se mide dicho valor utilizando las herramientas del dispositivo ADE7758 (se obtiene el valor de un registro interno del dispositivo).

3.1.1.5. Factor de potencia Factor de Potencia en cada fase de la red eléctrica pública:

Se obtiene dicho valor utilizando el dispositivo ADE7758, el cual tiene dentro de sus características la medición de parámetros de calidad de energía. Específicamente, se realiza medición de las energías manipulando los registros internos del dispositivo (energía activa, energía aparente y energía reactiva) y se genera la conversión a Potencia, realizando cálculos matemáticos que lleva a cabo el microcontrolador principal27.

3.1.2. Estrategias de medición

3.1.2.1. Medición de voltaje

3.1.2.1.1. MID400 El primer tipo de medida de voltaje es el utilizado para monitorear las entradas de la acometida eléctrica pública y de la planta eléctrica, donde se verifica el estado ON/OFF de las tres fases de entrada y en caso de que uno de los voltajes de fase falte o no esté dentro del valor adecuado se reporta de inmediato como falla de entrada.

Para este tipo de medición se utilizan los monitores de línea AC con salida lógica (MID 400 Fairchild Semiconductors28) los cuales permiten establecer cualquier falla que se presente en alguna de las fases de entrada; cada señal de salida de estos dispositivos será una entrada del microcontrolador principal. Con dichas señales se busca tener conocimiento inmediato en caso de caída de alguna de las fases. En general el diagrama de la configuración que se utiliza es el siguiente:

27 En la descripción del ADE7758 se profundizará en la estrategia de medición de Factor de Potencia. 28 Ver Anexo A. Hoja de especificaciones del monitor de línea MID 400 de Fairchild Semiconductors.

104

Figura 40. Monitoreo de voltajes de entrada. Estado ON/OFF Los circuitos atenuadores que se muestran en la Figura anterior son divisores de voltaje, que permiten tener el voltaje TTL requerido por los integrados MID400. El MID400 es un dispositivo aislado ópticamente el cual realiza un monitoreo de las líneas AC, generando una salida lógica dependiendo del estado de las mismas. El dispositivo viene en empaquetado DIP de 8 pines. El monitoreo que realiza es basado en dos diodos LED en serie con un resistor externo, lo que conlleva a que cuando se detecta señal AC, se polarizan los diodos alimentando un circuito detector de alta ganancia, el cual sensa dicha corriente y coloca a la salida un nivel de voltaje de acuerdo a la entrada del dispositivo. En la Figura 41 muestra el empaquetado físico y el circuito equivalente del dispositivo MID400:

Figura 41: Empaquetado físico y circuito equivalente del dispositivo MID400 El MID400 ha sido diseñado exclusivamente para el monitoreo de líneas AC de baja frecuencia de operación. El dispositivo es recomendado ampliamente para

105

todo tipo de aplicaciones de control AC-DC, donde sobresale su excelente aislamiento óptico, confiabilidad, compatibilidad TTL, tamaño reducido y bajo consumo de potencia. La Figura 42 muestra la configuración del circuito externo para la implementación del MID400 como monitor de línea AC:

Figura 42: Implementación de circuito externo del MID400 Donde la resistencia RIN en serie con la entrada de voltaje, se coloca para limitar la corriente al valor requerido. El cálculo de dicha resistencia se realiza de acuerdo a la siguiente ecuación:

Donde: VIN es el voltaje RMS de entrada. VF es el voltaje que cae en el diodo LED. IIN es la corriente RMS de entrada requerida para generar un cero lógico a la salida. Para la presente aplicación las resistencias RIN implementadas fueron de 22 KΩ, de acuerdo al cálculo de la ecuación anterior. La Figura 43 muestra la manera en la que el dispositivo genera las salidas lógicas “altas” o “bajas”, dependiendo si en la entrada detecta señal AC.

106

Figura 43: Relación entre señal de entrada y señal de salida en el MID40029

3.1.2.1.2. ADE7758 Las demás mediciones de voltaje se realizan utilizando el Circuito Integrado ADE 7758. Dicho dispositivo entre sus características incluye la medición del voltaje RMS de las señales de entrada, por tanto se aprovecha dicha capacidad para extraer la información requerida. El cálculo de voltaje RMS en el dispositivo ADE7758 es procesado a través de las muestras que se obtienen a la salida del filtro pasa bajos LPF1. La salida de voltaje del canal del ADC puede ser escalada a ± 50% modificando el registro VRMSGAIN [11:0], lo cual permite que mejore la calidad de la señal que se está midiendo; situación benéfica cuando las señales a medir son de niveles muy bajos. Se debe tener muy en cuenta, que el nivel máximo pico a pico de la señal de entrada al ADE7758 no puede superar 1 V. Los valores de los voltajes RMS son almacenados en registros de 24 bits sin signo (AVRMS, BVRMS y CVRMS). La frecuencia de muestreo de las señales de voltaje RMS es CLKIN/12. En la Figura 44 se muestra el procesamiento de la señal de entrada en el ADE7758 para la medición de voltaje RMS30.

29 Para obtener más detalles sobre las especificaciones técnicas del dispositivo MID400, verificar las hojas de especificaciones que se encuentran en los anexos. 30 La gráfica muestra el procesamiento para la fase A. Hay que tener en cuenta que el dispositivo maneja internamente el mismo esquema para las fases B y C.

107

Figura 44: Procesamiento de señal en el ADE7758 para medición de Voltaje RMS (fase A) El registro VRMSOS [11:0] que se observa en la figura anterior, es el offset que permite realizar la compensación, permitiendo remover valores erróneos que son debidos a ruidos en las muestras de entrada. Para efectos de los cálculos requeridos es importante tener en cuenta que al garantizar una entrada análoga AC a máxima escala (0,5 V), el filtro pasa bajos LPF1 genera una salida que es aproximadamente el 63% de su valor a máxima escala; es decir que se obtiene a la salida un valor de 9372d, con señal de entrada a 60Hz. Teniendo en cuenta que este valor se obtiene a la salida del filtro pasa bajos, se debe realizar el cálculo del valor que se obtiene a la salida del ADC, el cual representa el valor final de la medición. El dispositivo especifica que para una entrada a máxima escala, se obtiene en el registro (A-B-C)VRMS un valor de 0x1902BDh (como se ilustra en la Figura 44); por tanto para realizar el proceso de conversión de este valor al real de voltaje RMS, se debe hallar una constante. Para dicho procedimiento se debe tener en cuenta lo siguiente: Cada una de las entradas de voltaje tiene una etapa de atenuación que garantiza que para un voltaje máximo en la entrada, el voltaje diferencial a la salida de la etapa de atenuación no supera 1 V (Circuito que se muestra en la Figura 45). Por

108

tanto, en nuestro caso se determina que el voltaje máximo que se puede tener a la entrada es:

KKVinK

Vout1330

1+

∗=

Donde Vout máx= 0.5 V, obteniendo que VIN(max)= 165.5 VRMS Hallando los valores máximos de entrada de voltaje del subsistema de adquisición de señales.

Figura 45: Circuito atenuador de Voltaje en el ADE7758

Teniendo en cuenta lo anterior, se puede encontrar el valor de la constante, denominada régimen. Donde,

4-093e895683060493576783851,0096998200019020

05.165:

000

0:

)(

)(

)()(

)()(

=−

−=

=

=

−

−=

∗=

REGIMENhxBDhx

VVREGIMEN

ultimoPor

hxV

VVespecificocasoelPara

VVVV

REGIMEN

REGIMENVVreal

MINADC

RMSMININ

MINADCMAXADC

MININMAXIN

ADC

109

3.1.2.1.3. Medición de voltajes DC usando el microcontrolador principal El subsistema de adquisición de señales incluye la medición de dos (2) parámetros de voltaje continuo; el primero corresponde al voltaje de la batería de arranque de la planta eléctrica (típicamente en un rango de 11 VDC a 13.5 VDC) y el segundo hace referencia al voltaje del banco de baterías de la UPS (típicamente en el rango de 120 VDC a 130 VDC). Para estas dos mediciones se utilizó el módulo de conversión análogo a digital (ADC) del microcontrolador principal. Teniendo en cuenta que el nivel máximo que soporta la entrada del conversor ADC es de 5 VDC, se debe garantizar que a máxima señal de entrada al sistema, se cumpla con este parámetro; es decir que se debió implementar un circuito externo para garantizar que la máxima señal externa sea atenuada a 5 VDC. En las siguientes figuras se ilustran los circuitos implementados, que garantizan lo anteriormente descrito:

Figura 46: Circuito externo para adecuación de señal del voltaje DC de la batería Planta Eléctrica, a la entrada del ADC del microcontrolador principal

Con el circuito atenuador de la figura anterior, garantizando 5 V en la entrada del ADC del microcontrolador (pin Volt Bat(Planta)), se tiene a la entrada del atenuador 22.8 V. Teniendo en cuenta que el valor típico de ésta medición es de 12 V, se garantiza un rango de seguridad que permite que no se presenten problemas al ocurrir un voltaje mayor.

Figura 47: Circuito externo para adecuación de señal del voltaje DC del banco de baterías de la UPS, a la entrada del ADC del microcontrolador principal

110

Para el circuito atenuador del voltaje del banco de baterías (figura anterior), garantizando 5 V en la entrada del ADC del microcontrolador (pin Volt Banco Bat (UPS)), se tiene a la entrada del atenuador 225 V. Teniendo en cuenta que el valor típico de ésta medición es de aproximadamente 120 V, se garantiza igualmente el rango de seguridad mencionado. Dado que el conversor Análogo Digital del microcontrolador principal trabaja a 10 bits, al tener 5 V a la entrada se genera el número 210 =102431; basados en éste valor y conociendo el valor máximo que podría llegarse a medir, se puede hallar el valor del régimen que permita que los valores que entrega el ADC, sean interpretados para mostrar los valores reales. El siguiente procedimiento ilustra el cálculo de los dos régimen hallados:

250,219726560004000

0225

50,022265620004000

08.22:

000

0:

_

_

_

_

)(

)(

)()(

)()(

=−

−=

=−

−=

=

=

−

−=

∗=

UPSBANCO

UPSBANCO

PLANTABATERIA

PLANTABATERIA

MINADC

DCMININ

MINADCMAXADC

MININMAXIN

ADCreal

REGIMENhxhx

VVREGIMEN

REGIMENhxhx

VVREGIMEN

ultimoPor

hxV

VVespecificocasoelPara

VVVV

REGIMEN

REGIMENVV

3.1.2.2. Medición de corriente Se debe resaltar que para la adquisición de las señales de corriente, se plantearon dos opciones: • Utilizar un sensor de corriente d(i)/d(t) externo (bobina Rogowski), teniendo en

cuenta que el circuito integrado posee internamente un integrador digital que permite reconstruir la señal i(t).

• Utilizar un transformador de corriente en otra configuración que ofrece el

dispositivo en la cual se anula el integrador digital.

31 En hexadecimal 0x400h.

111

Específicamente en el proyecto, para adquirir las señales de corriente en las líneas de la red eléctrica pública y después de la UPS (corriente que se entrega a la carga en cada una de las fases), se utilizan transformadores de corriente32; transductores escogidos teniendo en cuenta el rango de Corriente que se va a medir, la exactitud requerida en la medición, características de linealidad y saturación. Adicionalmente se tuvo en cuenta el precio de la implementación y disponibilidad de los dispositivos, ya que se debe considerar que algunos transductores requieren otros elementos para realizar el sensado de la variable, los cuales pueden llegar a elevar considerablemente el valor final de la solución.

El transformador de corriente usa el principio de un transformador para convertir corriente primaria a una corriente secundaria más pequeña. Es utilizado para realizar medición de corrientes de diferentes rangos y presenta bajo consumo de potencia. Sin embargo, el material ferrítico usado en el núcleo se puede saturar cuando la corriente primaria es muy alta o cuando hay un componente importante de DC en la corriente. Una vez magnetizado, el núcleo contendrá histéresis y su precisión se degradará a menos que éste se desmagnetice de nuevo. Dichas señales entregadas por los transformadores de corriente, son utilizadas por el ADE7758 para procesar las señales adquiridas y generar los valores reales de corriente RMS. El procesamiento que realiza el dispositivo ADE7758 para el cálculo de las corrientes RMS en cada fase, consiste en realizar un muestreo de la forma de onda de corriente y dichas muestras son procesadas de acuerdo a la definición de corriente RMS y almacenadas en registros sin signo de 24 bits, llamados AIRMS, BIRMS y CIRMS, por cada fase respectivamente. La frecuencia de muestreo de las señales de corriente RMS es CLKIN/12. El transformador entrega una señal de corriente proporcional 1:1000, la cual es aplicada sobre una resistencia (para la aplicación fue escogida de 16.2 Ω) para obtener una señal de voltaje que es ingresada al ADE7758 para el respectivo procesamiento. El dispositivo especifica que para una entrada a máxima escala, se obtiene a la salida del ADC un valor aproximado de 0x1D3781h (como se ilustra en la Figura y); por tanto para realizar el proceso de conversión de este valor al real de corriente RMS, se debe hallar el respectivo régimen.

32 Se utilizaron específicamente transformadores de corriente, marca CR MAGNETICS. Ver hoja de especificaciones en anexo.

112

En la Figura 48 se muestra el procesamiento de la señal de entrada en el ADE7758 para la medición de corriente RMS33.

Figura 48: Procesamiento de la señal de corriente RMS en el dispositivo ADE7758 (Fase A)

Con base en el circuito de la Figura 49, el cual comprende el transformador de corriente y la resistencia que se utiliza para realizar la conversión de corriente a voltaje, se realizan los siguientes cálculos:

Figura 49: Circuito externo para procesamiento de corriente en el ADE7758

El valor máximo de corriente que puede ser medido por el subsistema de adquisición de datos, se obtiene de acuerdo a la siguiente ecuación:

33 La gráfica muestra el procesamiento para la fase A. Hay que tener en cuenta que el dispositivo maneja internamente el mismo esquema para las fases B y C.

113

AIObteniendo

VVdondeDe

IV

MAXIN

MAXADEIN

INADEIN

86.30:

5.0:

10002.16

)(

)(

)(

=

=

=∗Ω

−

Cálculo de régimen34:

5-294e221749228299969238851,61169612000378110

086.30:

000

0:

)(

)(

)()(

)()(

=−−

=

=

=

−

−=

∗=

REGIMENhxhDx

VAREGIMEN

ultimoPor

hxI

AIespecificocasoelPara

IIII

REGIMEN

REGIMENII

MINADC

RMSMININ

MINADCMAXADC

MININMAXIN

ADCreal

3.1.2.3. Medición del estado de la transferencia automática En cuanto a la Transferencia Automática, se requiere conocer la posición en la cual se encuentran los contactos de red y de planta ya que estos contactos secos son los dispositivos que físicamente realizan la conmutación de todo el sistema de soporte eléctrico en caso de presentarse una falla. Es decir, de presentarse una variación externa de tensión, frecuencia o corte intempestivo del suministro, se inicia la secuencia de arranque, verificación de parámetros del grupo electrógeno35 (GE) y luego la transferencia automática de la carga en el tiempo programado. Ante el retorno de la red eléctrica comercial, accede automáticamente a este suministro.

En muchas ocasiones los equipos principales de soporte (planta eléctrica) entran en funcionamiento adecuadamente, pero la transferencia automática puede fallar al realizar la conmutación, razón por la cual es muy importante monitorear el

34 En la explicación del Microcontrolador se explicará la utilización de los Régimen hallados. 35 Grupo electrógeno: Nombre técnico dado a la planta eléctrica.

114

estado de los contactos para poder hacer seguimiento a la adecuada transferencia de la carga.

Foto 2: Tablero de Transferencia Automática Se observan en la parte superior derecha los contactos secos de red y de planta que se encargan de transferir la carga al grupo electrógeno o a la red eléctrica pública.

En el caso de un montaje real, se utilizan unos contactos secos auxiliares sobre los contactos principales de red y de planta para generar señales digitales que permiten conocer el estado de dichos contactos, como se ilustra de la Figura 50:36

Figura 50: Diagrama de ubicación de contactos secos auxiliares para verificar estado de contactos de red y de planta eléctrica

36 En el anexo de los diagramas circuitales, se presenta con detalle el desarrollo realizado para la obtención de señales de la transferencia automática.

115

3.1.2.4. Medición de frecuencia El esquema utilizado en el proyecto para realizar la medición de este parámetro, es utilizando los registros internos del circuito integrado ADE 7758, el cual permite extraer dicha información al realizar la manipulación de registros internos reservados para tal fin. El dispositivo es utilizado para la medición de otras variables dentro del esquema del proyecto, tales como el voltaje RMS y parámetros de calidad de energía; lo cual ha sido muy importante dentro del desarrollo, ya que inicialmente se planteó utilizar todas las cualidades de los elementos escogidos para minimizar la cantidad de componentes, circuitos y centralizar los puntos de posibles fallas. El dispositivo ADE7758 ofrece la posibilidad de realizar medidas de período o frecuencia sobre las señales de voltaje de entrada de acuerdo a la configuración de un (1) bit del registro LCYCMODE (bit 7 denominado FREQSEL). El valor de frecuencia o período es almacenado en un registro sin signo de 12 bits, llamado FREQ el cual es actualizado cada cuatro ciclos de fase. Con el bit 7 del registro LCYCMODE se selecciona si el registro de periodo visualiza la frecuencia o el período; por defecto el dispositivo realiza medición de frecuencia. Cuando se realiza medición de frecuencia, el registro almacena aproximadamente 960d a 60 Hz y 800d a 50 Hz. Es importante resaltar que internamente el dispositivo ADE7758 solo posee un (1) único módulo para realizar el proceso de medición de frecuencia y debido a que en el proyecto se requiere la medición de 3 fases de voltaje, el dispositivo posee un registro denominado MEASUREMENT MODE REGISTER (dirección 0x14h) con el cual se puede establecer qué fase va a ser medida usando los bits 0 (FREQSEL1) y 1 (FREQSEL0) de dicho registro, como se muestra en la siguiente figura:

Figura 51: Configuración de los bits 0 y 1 del registro MMODE

De acuerdo a lo anterior, el software del microcontrolador principal se ha programado para que escriba dicho registro, de tal manera que se realice una multiplexación sobre las tres (3) fases y así obtener las tres (3) medidas requeridas.

116

3.1.2.5. Medición de temperatura El dispositivo ADE7758 incluye un sensor de temperatura, el cual está conectado a un ADC para el proceso de digitalización de la medida. La medición se realiza cada 4/CLKIN segundos. El resultado es procesado y almacenado en el registro de temperatura llamado TEMP[7:0], el cual puede ser leído accediendo a la dirección 0x11. El contenido del registro de temperatura es con signo en complemento dos, con una resolución de 3°C/Bit menos significativo. Para calibrar dicho registro, el valor nominal debe ser leído y ajustado de acuerdo al desfase. Por ejemplo, si el registro de temperatura produce una salida 0x00h cuando la temperatura ambiente es aproximadamente 30°C, el valor del registro es: Registro de temperatura = Temperatura real (°C) – 30 °C. El registro de temperatura del ADE7758 varía con respecto al tipo de fuente de alimentación que esté utilizando. Es recomendado el uso del registro de temperatura, con aplicaciones que utilicen fuentes de alimentación estables. La siguiente tabla muestra el error que se presenta de acuerdo a la variación de fuente:

Tabla 52: Error en el registro de temperatura de acuerdo a variaciones en la fuente de alimentación

3.1.2.6. Medición de Energía Aparente, Energía Reactiva y Energía Activa Es importante aclarar antes de comenzar la explicación de medición de energías, que estas variables se hallaron para poder obtener los valores de las Potencias (potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente), obteniendo finalmente la medida del factor de potencia. Como elemento principal es utilizado el circuito integrado ADE 7758 (Multi-Phase multifunction Metering IC with d(i)/d(t) sensor interface) de Analog Devices salido al mercado recientemente, el cual realiza la medición de las variables mencionadas y que cuenta con recursos internos para el muestreo de las señales de voltaje y corriente, filtrado y compensación de errores entre otros, permite adicionalmente la extracción de las variables a través de una interfaz serial de datos de 8 bits. El dispositivo ofrece otras importantes características entre las cuales se destacan: detección de ausencia de tensión o bajas durante lapsos

117

predefinidos y programables, alimentación a partir de una fuente unipolar de +5V, bajo consumo de potencia (típico de 15 mW), rango de temperaturas desde -0 °C hasta 85 °C. Cada entrada análoga posee un amplificador de ganancia programable, con ganancias predeterminadas de 1, 2, 4, 8 y 16.

Relación entre potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente para obtener el Factor de Potencia: Cos Ө

Figura 53: Triángulo de potencias

Es importante destacar que todo el dispositivo es supervisado y controlado por el microcontrolador principal que es el centro de todo el subsistema de adquisición de señales, como se mencionó anteriormente. A continuación se muestra el diagrama en bloques del circuito integrado ADE7758:

Figura 54: Diagrama de bloques del Circuito Integrado ADE7758

3.1.2.6.1. Cálculo de Energía Activa

118

El dispositivo ADE7758 realiza internamente la integración de la señal de potencia activa, teniendo en cuenta la definición de Energía la cual está dada por la siguiente ecuación:

( )∫= dttpEnegia

De acuerdo a lo anterior, el dispositivo realiza una acumulación continua en un registro interno de energía de 41 bits por cada fase. Los registros (A-B-C)WATTHR representan los 16 bits más significativos de los registros internos de energía, que son los que finalmente se manipulan para adquirir las mediciones de energía. Dicha acumulación de las muestras que se toman en tiempo discreto, es equivalente de acuerdo a la siguiente expresión:

Donde, n es el número de muestras en tiempo discreto. T es el período de muestra. De acuerdo a lo anterior, en la Figura 55 se muestra el procesamiento interno del ADE7758 para obtener la energía activa.

Figura 55: Procesamiento de acumulación de Energía Activa en dispositivo ADE7758

119

Es importante resaltar de la figura anterior que el registro WATTOS[11:0] permite adicionar un offset para calibrar la medición, con respecto a variaciones de la medición final y el patrón utilizado37. En la interacción del dispositivo ADE7758 con el microcontrolador principal, el cual es el encargado de manipular todas las instrucciones para extraer la información del ADE7758, es importante hacer énfasis en las señales que se deben habilitar para extraer la información correcta de los registros de energía. Al habilitar el Bit 0 denominado AEHF de la máscara de interrupción, el dispositivo queda configurado para que genere una interrupción ( QRI ) cuando el Bit 14 de uno de los tres registros de acumulación de energía activa haya cambiado (AWATTHR, BWATTHR, CWATTHR). Es decir, el dispositivo genera una interrupción que determina que alguno de los tres registros de energía activa está a la mitad de su capacidad total, pero no especifica cuál fue. Por esto en el proyecto se ha delimitado la medición de los parámetros de calidad de energía (potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente y factor de potencia) a sólo una fase a la vez38; ya que con esto se tiene certeza de cuál fue la fase que generó la interrupción39 y así obtener una medida real. Se debe tener en cuenta que al leer los registros de acumulación de energía éstos son reiniciados, lo que permite tener control de la cantidad de energía que se acumula al llenarse completamente uno de ellos. Con base en mediciones realizadas con el patrón utilizado, se halló el valor que debe ser sumado en un registro de Energía activa40, cada vez que ocurra una interrupción por desborde del registro de acumulación de energía. El esquema que se realizó es el siguiente: 37 Patrón utilizado: Power Armonics Analizer FLUKE 41B 38 Se realiza la delimitación de medición de una sola fase a la vez desde la interface gráfica del software a través de la ventana de POTENCIA, guiando al usuario para ejecutar la medición correctamente. 39 En el desarrollo del proyecto se realizaron múltiples pruebas relacionadas con la lectura de los registros de acumulación de energía, en los que se procedió con la lectura de los registros de acumulación de energía en el instante en el que se generaba una interrupción ( QRI ) y se trató de hallar una proporcionalidad de los valores arrojados por todos los registros, pero se determinó que no hay una relación proporcional que permita asignar valores certeros para las fases que no han generado la interrupción. Al condicionar la medición de dichos parámetros para una sola fase a la vez, permite que los desbordes del registro de acumulación de energía, sean exclusivos para la fase que se está manejando. 40 Registro de Energía Activa el cual está en el microcontrolador principal cuyo nombre es RP_ENERGIA_ACTIVA.

120

Teniendo una carga constante se llevo a cabo el proceso de medición de potencia activa con el patrón utilizado (PAREAL) y paralelamente, se configuró el microcontrolador para determinar exactamente cada cuánto se estaba generando una interrupción por desborde del registro de acumulación de energía activa del ADE7758 (TDESBORDE). De acuerdo a lo anterior, se halló el valor a sumar en el registro RP_ENERGIA_ACTIVA cada vez que se detecta la interrupción respectiva, así:

[ ] [ ] [ ] [ ]ssTWPAhWActivaEnergiaRP DESBORDEREAL 3600

1__ ∗∗=⋅

Y se realizaron pruebas con diferentes cargas, las cuales generaron diferentes consumos de potencia y tiempos de interrupción por desborde de los registros de acumulación de energía activa, pero siempre fueron consecuentes de acuerdo al planteamiento anterior.41

3.1.2.6.2. Cálculo de Energía Reactiva Al igual que para el cálculo de la Energía Activa, el ADE7758 se basa en la acumulación de la potencia reactiva para hallar la Energía de acuerdo a la siguiente expresión:

De igual manera como se ejecuta el almacenamiento de Energía Activa, se tienen registros de 41 bits donde los 16 bits más significativos son los registros denominados AVARHR, BVARHR y CVARHR, los cuales son acumuladores de Energía Reactiva. En la Figura 56 se muestra el procesamiento de la señal para llegar a los registros acumuladores de Energía Reactiva en el ADE7758:

41 En ANALISIS DE RESULTADOS se muestran las pruebas realizadas con diferentes cargas.

121

Figura 56: Procesamiento del dispositivo ADE7758 en el proceso de acumulación de Energía Reactiva

Al habilitar el Bit 1 (denominado REHF) de la máscara de interrupción, se configura el ADE7758 para que genere una interrupción cuando alguno de los registros de acumulación de Energía Reactiva se encuentre al 50% de su capacidad. Por tanto se generó un registro en el Microcontrolador principal, el cual se encarga de sumar el valor de la Energía Aparente cada vez que se presente dicha interrupción. Este registro es llamado RP_ENERGIA_REACTIVA. Para hallar el valor a sumar en dicho registro se realizó el mismo procedimiento ejecutado con la Energía Activa, utilizando el patrón de medida y aplicando la siguiente fórmula:

[ ] [ ] [ ] [ ]ssTVARPRhVARactivaEnergiaRP DESBORDEREAL 3600

1Re__ ∗∗=⋅

Donde, PRREAL es el valor de Potencia Reactiva arrojado por el patrón de medida. TDESBORDE es el tiempo entre cada una de las interrupciones42.

3.1.2.6.3. Cálculo de Energía Aparente De acuerdo al esquema manejado por el ADE7758 para la medición de Energía Aparente, se tiene en cuenta la siguiente expresión:

42 El cual es igual teniendo en cuenta que la carga durante el proceso es constante.

122

Los registros de Energía Aparente (AVAHR, BVAHR y CVAHR) son los 16 bits más significativos de los registros de acumulación de Energía Aparente, los cuales son de 41 bits, como se muestra en la Figura 57 donde se ilustra todo el procesamiento que realiza el ADE7758 para obtener los valores de la Energía Aparente.

Figura 57: Procesamiento de acumulación de Energía Aparente en dispositivo ADE7758 Al habilitar el Bit 2 (denominado VAEHF) de la máscara de interrupción, se configura el ADE7758 para que genere una interrupción cuando alguno de los registros de acumulación de Energía Aparente se encuentre a la mitad de su capacidad total (se produce un cambio en el bit 14). El registro que se generó en el Microcontrolador principal para sumar el valor de Energía Aparente cada vez que se ejecute una interrupción por esta causa en el ADE7758, es denominado RP_ENERGIA_APARENTE. Para hallar el valor a sumar en dicho registro se realizó el mismo procedimiento ejecutado con las Energías Activa y Reactiva, utilizando el patrón de medida y aplicando la siguiente fórmula:

[ ] [ ] [ ] [ ]ssTVAPAPhVAAparenteEnergiaRP DESBORDEREAL 3600

1__ ∗∗=⋅

Donde, PAPREAL es el valor de Potencia Reactiva arrojado por el patrón de medida. TDESBORDE es el tiempo entre cada una de las interrupciones43.

43 El cual es igual teniendo en cuenta que la carga durante el proceso es constante.

123

3.1.2.6.4. Interrupciones utilizadas para la medición de Energía en el dispositivo ADE7758 Las interrupciones del ADE7758 son utilizadas a través del registro de estado de interrupción (STATUS[23:0], dirección 0x19) y el registro de máscara de interrupción (MASK[23:0], dirección 0x18). Cuando una interrupción ocurre en el dispositivo, la correspondiente bandera en el registro de estado de interrupción es puesta en 1 lógico y si el bit de esta interrupción, en el registro de máscara de interrupción está en 1 lógico también, el pin de interrupción QRI es puesto en 0 lógico. Para determinar cuál fue la fuente de interrupción, el Microcontrolador debe leer el registro STATUS verificando cada uno sus bits, buscando cuál de ellos se encuentra activo (1 lógico), ubicando de esta manera la interrupción generada. Luego de este proceso se debe leer el registro RSTATUS (dirección 0x1A) para que el pin QRI vuelva a su estado normal (1 lógico), clareando todas las banderas. En la Figura 58 se muestra la secuencia del programa que se ejecuta en el ADE7758 cuando ocurre una interrupción, complementando lo explicado anteriormente:

Figura 58: Proceso de interrupciones del ADE7758 Cuando se ejecuta la lectura con reinicio (es decir, se lee el registro RSTATUS) el ADE7758 está diseñado para garantizar que ningún evento de interrupción se pierda. Si una interrupción ocurre justo cuando el registro de estado de interrupción está siendo leído, dicha interrupción no se pierde y la salida del pin de interrupción QRI es puesta en 1 lógico, en el transcurso de la transferencia de datos en el registro de estado de interrupción antes de ser puesta de nuevo en 0 lógico, para atender la interrupción pendiente. Lo anterior se ilustra en la Figura 59 donde se muestra el diagrama de tiempos de interrupciones en el ADE7758:

124

Figura 59: Diagrama de tiempos del ADE7758 Para el caso específico de este desarrollo, el registro de máscara de interrupción es configurado para atender sólo las interrupciones generadas por las banderas:

• AEHF: Esta interrupción ocurre cuando el bit 14 de alguno de los (3) tres registros de acumulación de Energía Activa (AWATTHR, BWATTHR y CWATTHR) cambia de estado, indicando con esto que el registro ha llegado al 50% de su capacidad.

• REHF: Esta interrupción ocurre cuando el bit 14 de alguno de los (3) tres

registros de acumulación de Energía Reactiva (AVARHR, BVARHR y CVARHR) cambia de estado, indicando con esto que el registro ha llegado al 50% de su capacidad.

• VAEHF: Esta interrupción ocurre cuando el bit 14 de alguno de los (3) tres

registros de acumulación de Energía Aparente (AVAHR, BVAHR y CVAHR) cambia de estado, indicando con esto que el registro ha llegado al 50% de su capacidad.

Teniendo en cuenta la información que es entregada por cada una de las interrupciones anteriores, haciendo referencia a que no se indica cuál de las fases ha llegado al 50% de su capacidad; se determinó que para tener una medición verdadera de las potencias, se debe habilitar sólo una fase a la vez en el momento de realizar la medición de parámetros de Potencia, ya que con este esquema desarrollado se garantiza que las interrupciones generadas corresponden a la fase que está siendo medida44.

44 Dicho esquema fue consultado con el Ingeniero Miguel Camacho, Responsable de la Infraestructura eléctrica de la empresa Telefónica Colombia, validando que la estrategia planteada es viable teniendo en cuenta que en los procedimientos del Departamento, se realiza verificación de medidas de Potencia y Factor de Potencia cuando se ejecuta la lista de chequeo (checklist), permitiéndose dejar habilitada sólo una fase a la vez. Las mediciones anteriores se realizan en las listas de chequeo para verificar el adecuado consumo de las

125

3.1.2.7. Conversión de medidas de energía a potencia Teniendo en cuenta la relación que existe entre la Energía y la Potencia, se ha desarrollado un esquema para extraer las medidas de Potencia de la información que se ha adquirido de Energía. Dado que la Energía es la acumulación de la Potencia a lo largo de un tiempo, para realizar la conversión se ha determinado el tiempo en el cual la medición de Energía ha realizado la acumulación. Para esto se creó un “reloj maestro” en el Microcontrolador principal el cual inicia su conteo cuando todo el sistema es encendido o reiniciado. Teniendo en cuenta que se están manejando las tres Energías simultáneamente y cada una de éstas genera interrupciones en diferentes instantes de tiempo, se han creado unas variables en el Microcontrolador principal para almacenar el tiempo de la primera interrupción de cada una de las Energías, lo cual es tomado como un “cero” para cada Energía; esto para poder sincronizar el inicio de acumulación de cada Energía con su respectivo tiempo45. Lo anterior se visualiza en la Figura 60, donde se muestran las variables reales que se generaron en el Microcontrolador principal, de acuerdo a las primeras interrupciones generadas por cada una de las energías.

Figura 60: Generación de nuevos orígenes para los tiempos de acumulación de Energías

instalaciones, teniendo en cuenta que ocasionalmente se están realizando instalaciones de nuevos circuitos para equipos de comunicaciones que se ponen en funcionamiento. 45 Se realiza esta manipulación de cambio de origen de tiempo para cada energía teniendo en cuenta que solo se está manejando un (1) “reloj maestro” en el Microcontrolador principal.

126

Finalmente se realiza la conversión de cada Energía a Potencia, de acuerdo a las siguientes expresiones, las cuales son procesadas por el Microcontrolador Principal, en su rutina de interrupciones externas.

ERInicioTiempoAcumuladoTiempoactivaEnergiaRPactivaPotencia

EAPInicioTiempoAcumuladoTiempoAparenteEnergiaRPAparentePotencia

EAInicioTiempoAcumuladoTiempoActivaEnergiaRPActivaPotencia

___3600Re__Re_

___3600___

___3600___

−∗

=

−∗

=

−∗

=

Donde, Tiempo_Acumulado es el “reloj maestro” que se generó en el Microcontrolador principal.

3.1.3. Microcontrolador encargado del procesamiento de datos y transmisión serial Este microcontrolador es el dispositivo principal del subsistema de adquisición de señales46, el cual se encarga de recibir todos los datos adquiridos de las variables externas, manipular los datos y entregarlos de forma adecuada, principalmente a la interfaz de conversión serial a Ethernet para transmitirlos hacia el extremo remoto47, y adicionalmente al otro microcontrolador que se encarga de la visualización local de los datos. Se escogió un Microcontrolador PIC18F452 del fabricante Microchip el cual es un microcontrolador de 16 bits48, con memoria flash de 32 Kbytes y memoria RAM de 1.536 Kbytes. Para la manipulación inicial del dispositivo, programación y el desarrollo de pruebas de laboratorio se utilizó un microcontrolador en empaque PDIP, ya que inicialmente fue fácil conseguirlo y la manipulación con el resto de elementos del subsistema de adquisición de señales era la adecuada; pero para el montaje final en la tarjeta de circuito impreso, se decidió utilizar el microcontrolador de montaje superficial, ya que su tamaño es considerablemente reducido comparado con el de formato PDIP y este factor es de gran importancia ya que la tarjeta podría llegar a expandirse considerablemente, siendo este crítico dentro del proyecto. Adicionalmente, el formato escogido da sobriedad a la

46 Denominado a lo largo del proyecto como “microcontrolador principal”. 47 Subsistema de almacenamiento de datos. 48 Tamaño máximo de palabra de instrucción.

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presentación física de la tarjeta, lo cual justifica el esfuerzo en conseguir el dispositivo seleccionado. En la siguiente Figura se muestra el esquema físico del microcontrolador principal y las conexiones que tiene en los puertos, las cuales se describirán a continuación:

Figura 61: Esquemático del microcontrolador principal del subsistema de adquisición de señales

3.1.3.1. Puertos El microcontrolador cuenta con 44 pines de entrada/salida, los cuales están distribuidos en cinco puertos. De acuerdo a la implementación desarrollada, a continuación se describen los puertos utilizados: a. PUERTO A Este puerto consta de 6 pines (RA0, RA1, RA2, RA3, RA4, RA5) los cuales pueden ser configurados como entradas o salidas digitales o también como entradas analógicas. Este puerto se utilizó para las entradas de voltajes análogos, por tanto sólo se utilizan los pines RA0 y RA1, los cuales fueron configurados como entradas analógicas y corresponden a las señales de voltaje de la batería de la planta eléctrica (Volt Bat (Planta)) y voltaje del banco de baterías de la UPS (Volt Banco Bat (UPS)), correspondientemente.

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Los demás pines que no se utilizaron se dejaron configurados como entradas, para evitar que se presente alguna colisión si en algún momento por accidente, se pone alguna señal en dichos pines; pues al estar configurados como salidas el microcontrolador colocaría una señal de voltaje que podría ocasionar el daño del puerto49. b. PUERTO B Este puerto consta de 8 pines (RB0, RB1, RB2, RB3, RB4, RB5, RB6, RB7), de los cuales se están utilizando sólo cuatro (4). En general se utilizó éste para incluir las interrupciones del dispositivo ADE7758 y para la programación IN-CIRCUIT50 del microcontrolador. Para las interrupciones de los dispositivos ADE7758 se utilizaron los pines RB0 (mediciones de red eléctrica pública) y RB1 (mediciones de UPS51). Para la programación del microcontrolador se utilizaron los pines: RB6 (RB6/PGClock) el cual corresponde al reloj que genera el dispositivo programador externo y RB7 (RB7/PGData) por donde se envían los datos de programación. c. PUERTO C El puerto consta de 8 pines (RC0, RC1, RC2, RC3, RC4, RC5, RC6, RC7), los cuales son utilizados para incluir: las señales digitales del dispositivo MID400 encargado de hacer seguimiento a los voltajes de la planta eléctrica (pines RC3, RC4 y RC5), adicionalmente se configuró la USART que trae el microcontrolador por hardware (pines: RC6 de transmisión y RC7 de recepción) la cual es utilizada para transmitir los datos del microcontrolador principal al dispositivo de conversión serial a Ethernet. Dadas las ventajas que ofrece el programar los microcontroladores bajo el lenguaje C52, se permitió crear otra USART por software la cual utiliza los pines: RC0 (configurado sólo como salida) para transmisión de datos hacia el microcontrolador de video y el RC1 para recepción, pero este último no fue utilizado ya que el microcontrolador principal nunca recibe datos del microcontrolador de video. Por último se tiene configurado el pin RC2 como entrada digital para generar una verificación de disponibilidad antes de iniciarse la transmisión entre los dos dispositivos; es decir, que antes de comenzarse la transmisión el microcontrolador principal verifica si dicho pin se encuentra en “alto”, de ser así procede con la transmisión. Si el pin se encuentra en “bajo” indica que el microcontrolador de video se encuentra ocupado53. 49 En todos los pines que no se utilizaron en los microcontroladores se tuvo en cuenta la misma configuración. 50 Se hace referencia a programación IN-CIRCUIT a la posibilidad de programar el microcontrolador estando éste, montado en el circuito impreso. 51 Se debe tener en cuenta que éste pin de interrupción sólo se dejó habilitado ya que en el desarrollo no fue necesario su uso, ya que la aplicación no requiere del uso de las interrupciones. 52 CCS PCH C Compiler V 3.0. 53 El evento OCUPADO en el microcontrolador de video se da cuando el usuario está manipulando los botones para la navegación de las variables en el visualizador local.

129

d. PUERTO D El puerto consta de 8 pines (RD0, RD1, RD2, RD3, RD4, RD5, RD6, RD7) de los cuales los tres primeros son utilizados para la comunicación del microcontrolador principal con los dos (2) ADE7758, ya que estos dispositivos comparten el mismo bus de datos y son activados cuando se habilita el chip enable de cada uno de ellos:

El pin RD0 (denominado SDI) es por donde se transmiten los datos que envían los dispositivos ADE7758.

El pin RD1 (denominado SDO) corresponde al pin de transmisión de datos desde el microcontrolador hacia los ADE7758.

A través del pin RD2 (denominado SCL) se transmite el reloj54 utilizado para la comunicación entre el microcontrolador principal y los ADE7758.

El pin RD3 está configurado como salida digital y está a su vez conectado con el MASTER CLEAR del microcontrolador de video para garantizar que cuando se reinicie el microcontrolador principal, por este pin se ordene al microcontrolador de video que se reinicie55. Los pines RD4 (denominado CS A) y RD5 (denominado CS B) son utilizados para habilitar la comunicación entre el microcontrolador y el ADE7758 que se desee gestionar. El pin RD4 habilita el ADE7758 de la red eléctrica pública y el pin RD5 habilita el ADE7758 encargado de los parámetros de la UPS. e. PUERTO E El puerto consta de 3 pines (RE0, RE1, RE2) los cuales son utilizados exclusivamente como entradas digitales, para las señales del dispositivo MID400 utilizado para el monitoreo de la red eléctrica pública.

3.1.4. Microcontrolador encargado de la visualización local56

Este microcontrolador es el dispositivo que complementa el subsistema de adquisición de señales, manejando un visualizador local el cual permite al usuario ubicado en el sitio remoto verificar en tiempo real el estado de todas las variables medidas por el sistema. Este microcontrolador interactúa directamente con el microcontrolador principal, el cual le envía cada 3.5 segundos la actualización de las variables adquiridas.

54 Se debe hacer claridad que cada ADE7758 tiene su propio reloj con el cual realiza todos los procesamientos internos. El reloj en mención sólo es para la comunicación. 55 Como los microcontroladores trabajan con lógica negada, éste pin debe ser puesto en bajo para ejecutar la instrucción. 56 Denominado microcontrolador de video a lo largo del proyecto.

130

Es importante resaltar que inicialmente se comenzó a trabajar con un solo microcontrolador, que manejaba la transmisión hacia el dispositivo de conversión serial a Ethernet y al mismo tiempo la visualización local, pero se presentaron inconvenientes en el manejo de las interrupciones que manejaba todo el subsistema, ya que en el proyecto la prioridad es la adquisición de datos y envío de los mismos al extremo del subsistema de almacenamiento de datos; pero con la agregación del visualizador local se incluyeron nuevas interrupciones que podrían llegar a afectar la atención de las principales tareas. Con la independización de tareas en el subsistema asignando labores específicas a cada microcontrolador, se generó robustecimiento en el desempeño de todo el sistema. Igualmente se escogió un Microcontrolador PIC18F452 del fabricante Microchip para el manejo del visualizador local. En la Figura 62 se muestra el esquema físico del microcontrolador de video y las conexiones de sus puertos, las cuales se describirán a continuación:

Figura 62: Esquemático del microcontrolador de video

3.1.4.1. Puertos a. PUERTO A Este puerto consta de 6 pines (RA0, RA1, RA2, RA3, RA4, RA5) los cuales pueden ser configurados como entradas o salidas digitales o también como

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entradas analógicas. Este puerto no fue necesario utilizarlo, por tanto se configuraron todos sus pines como entradas. b. PUERTO B. Este puerto consta de 8 pines (RB0, RB1, RB2, RB3, RB4, RB5, RB6, RB7), de los cuales sólo se están utilizando los pines RB6 y RB7 para las tareas de programación IN-CIRCUIT57 del microcontrolador. c. PUERTO C El puerto C consta de 8 pines (RC0, RC1, RC2, RC3, RC4, RC5, RC6, RC7), los cuales son utilizados para: la navegación dentro del menú de las variables medidas, por tanto se incluyen dos (2) botones que generan los pulsos que indican si el menú debe moverse ascendente o descendentemente. De esta manera se configuraron los pines RC0 y RC1 como entradas digitales. En la figura anterior se muestra el circuito implementado para los botones de navegación. Adicionalmente se configuró el pin RC3 para visualizar la recepción de los datos provenientes del microcontrolador principal, esto con el fin de tener una ayuda visual al momento de identificar posibles fallas en la comunicación y verificar el desempeño del subsistema. Para dicha implementación se colocó un diodo led el cual indica cuándo hay recepción de datos. El pin RC5 se configuró como salida digital, por medio de la cual se le confirma al microcontrolador principal si puede realizar la transmisión de los datos; pues cada vez que el microcontrolador principal va a transmitir, verifica el estado de dicho pin: si se encuentra en “alto” indica que está disponible para realizar la transmisión. Este pin estará en bajo cuando el microcontrolador de video está ocupado atendiendo las interrupciones causadas por la pulsación de los botones de navegación. Finalmente, se configuró la USART por hardware para la recepción de los datos provenientes del microcontrolador principal a través de los pines RC6 de transmisión58 y RC7 de recepción. d. PUERTO D El puerto consta de 8 pines (RD0, RD1, RD2, RD3, RD4, RD5, RD6, RD7) los cuales son utilizados para la configuración y transmisión de los datos que deben ser mostrados en el visualizador de cristal líquido (LCD). El pin RD0 (denominado

57 Se hace referencia a programación IN-CIRCUIT a la posibilidad de programar el microcontrolador estando éste, montado en el circuito impreso. 58 No se encuentra conectado el pin ya que el microcontrolador de video no transmite datos al microcontrolador principal, pues todo el proceso es de recepción.

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E) es el habilitador (enable). El pin RD1 (denominado RS) es el encargado de indicar si los datos transmitidos son de control o de información. A través del pin RD2 (RW) se le indica al LCD si se va a leer o se va a escribir. Los pines RD4, RD5, RD6 y RD7 son el bus de datos entre el microcontrolador de video y el visualizador. 3.1.4.2. Características adicionales del microcontrolador PIC18F45259

Es importante mencionar algunas características internas de los microcontroladores utilizados en el subsistema de adquisición de señales; dichas características se describen a continuación:

3.1.4.2.1. Reloj El microcontrolador permite trabajar hasta 40 MHz, pero en la implementación de los dos microcontroladores se trabajó a 20 MHz, ya que el dispositivo ADE7758 trabaja a 10 MHz, logrando garantizar que siendo el microcontrolador principal el dispositivo central del subsistema, tuviese una velocidad adecuada que permitiera realizar todos los procesos y rutinas necesarias para su óptimo desempeño, sin que se presentaran problemas por tiempos de procesamiento con respecto a los de los dispositivos periféricos (ADE7758 y MID400). Adicionalmente, con esta configuración se logra aumentar la velocidad de transmisión de la USART. Para la configuración escogida se debió implementar un circuito con un cristal de MHz (Figura 63) y así mismo, configurar el microcontrolador para que trabajara a esta velocidad.

Figura 63: Configuración del circuito Oscilador a 20 MHz

3.1.4.2.2. Puerto Serial El puerto serial de los microcontroladores permite establecer una comunicación entre sistemas que manejen protocolos de comunicación RS232 o RS485. Las principales características del puerto serial son las siguientes: 59 Se debe tener en cuenta que dichas características las tienen ambos microcontroladores del subsistema de adquisición de señales.

133

Transmisión sincrónica o asincrónica. Full duplex en configuración asíncrona y half duplex en configuración

sincrónica. Manejo del bit de paridad. Tasa de transferencia hasta de 57600 baudios. Transmisión de 8 o 9 bits. Bit de parada y Bit de arranque.

Para el caso específico del sistema se utilizó la siguiente configuración en los microcontroladores:

Transmisión asíncrona. Comunicación half duplex (síncrona). No bit de paridad. 1. MICROCONTROLADOR PRINCIPAL: (hacia interfaz de conversión serial

a Ethernet) Tasa de transferencia de 19200 baudios. 2. MICROCONTROLADOR PRINCIPAL: (hacia microcontrolador de video)

Tasa de transferencia de 38400 baudios. 3. MICROCONTROLADOR DE VIDEO: Tasa de transferencia de 38400

baudios. Transmisión de 8 bits. Bit de arranque.

3.1.4.2.3. Memoria EEPROM El microcontrolador PIC18F452 cuenta con una memoria EEPROM de 256 bytes. La memoria EEPROM se utiliza en el microcontrolador principal para almacenar dos (2) estados del sistema:

1. El último estado que tuvo el relevo antes de que se apague o reinicie el

sistema, para validar que cuando se reinicie el sistema tome la misma condición.

2. El subsistema de adquisición de señales debe enviar una trama cada tiempo t con todas las variables monitoreadas. Dicho tiempo es configurado desde la interface gráfica del usuario y es almacenado en la memoria EEPROM para garantizar que cuando el sistema se reinicie, éste envíe la información de acuerdo a la última configuración.

3.1.4.2.4. Memoria RAM El microcontrolador PIC18F452 cuenta con una memoria RAM estática de 1536 bytes. Cada registro en la memoria de datos tiene una dirección de 12 bits,

134

permitiendo hasta 4096 bytes de memoria de datos. En la Figura 64 se muestra la organización de la memoria de datos:

Figura 64: Mapa de memoria del microcontrolador PIC18F452 [31] El mapa de memoria de datos está dividido en 16 bancos que contienen 256 bytes cada uno. Los 4 bits más bajos del registro Bank Select Register (BSR<3:0>) se utilizan para seleccionar el banco que es accedido. Los 4 bits mayores del registro BSR no son utilizados. La memoria RAM contiene dos tipos de registros: Registros de funciones especiales (denominado SFR) y Registros de propósito general (GPR). Los

135

registros de funciones especiales son utilizados para el control y el estado de las funciones perimetrales, mientras que los registros de propósito general son utilizados para el almacenamiento y manejo de operaciones en la aplicación. Los registros SFR comienzan en la última posición del banco 15 (dirección 0xFFF) y los registros GPR comienzan en la primera posición del banco 0.

3.1.4.2.5 Memoria ROM El microcontrolador PIC18F452 tiene 32 Kbytes de memoria Flash, es decir que el dispositivo puede almacenar hasta 16 K de instrucciones de palabra simple. Cada posición de memoria es de 21 bits, o sea que cada instrucción del microcontrolador es de dicha longitud. El programa del microcontrolador principal ocupa el 34% de la memoria ROM como se muestra en la Figura 65, luego de haber realizado el proceso de compilación del programa.

Figura 65: Pantalla de proceso de compilación en microcontrolador principal En el microcontrolador de video se ocupó el 35% de la memoria ROM tal como se ilustra en la Figura 66 después del proceso de compilación:

136

Figura 66: Pantalla de proceso de compilación en microcontrolador principal

137

En la Figura 67 se muestra el mapa de memoria de programa para el microcontrolador PIC18F452:

Figura 67: Mapa de memoria de programa para el microcontrolador PIC18F452 [31]

138

3.1.5. Interfaz serial del dispositivo ADE7758 Es muy importante comentar sobre esta interfase serial del ADE7758, ya que toda la comunicación entre este dispositivo y el microcontrolador principal se realiza a través de este medio. A continuación se realiza una descripción del protocolo utilizado entre los dispositivos: La interfaz serial del ADE7758 está fundamentada en cuatro señales: SCLK, DIN, DOUT y SC . El reloj para transmisión serial de datos es aplicado por la entrada lógica SCLK, dicha entrada lógica posee una estructura de Schmitt Trigger que permite suavizar el rizado de los bordes de las señales de reloj. Todas las operaciones de transferencia de datos son sincronizadas a través del reloj serial. Los datos son recibidos en el ADE7758 en la entrada lógica DIN usando los bordes de bajada de la señal SCLK y son transmitidos a la salida lógica DOUT en los bordes de subida de la señal SCLK.

Figura 68: Diagrama del ADE7758 con los pines de transmisión serial

La señal SC es una entrada lógica la cual trabaja como chip select60 y es utilizada cuando varios dispositivos comparten el bus serial. Adicionalmente con el borde de bajada de la señal SC se reinicia la interface serial y coloca al dispositivo en modo de comunicación. Adicionalmente, todas las operaciones de transferencia de

60 Habilitador.

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datos con el dispositivo ADE7758, ya sea de lectura o escritura, debe comenzar escribiendo el registro de comunicación. El registro de comunicaciones es de 8 bits para sólo escritura. El bit más significativo determina si la siguiente operación de transferencia de datos es de escritura o lectura. Los demás bits menos significativos contienen la dirección del registro que va a ser accedido. Las siguientes figuras muestran las secuencias de transferencia de datos para una operación de lectura y escritura, respectivamente.

Figura 69: Secuencia de lectura en el dispositivo ADE7758 utilizando la interface serial

Figura 70: Secuencia de escritura en el dispositivo ADE7758 utilizando la interface serial La transferencia de datos es completada cuando el bit menos significativo del registro que se desea leer o escribir, ha sido transferido desde o hacia el dispositivo ADE7758.

3.1.5.1. Proceso de escritura serial La secuencia de escritura serial en el ADE7758 realiza el siguiente procedimiento: Con el dispositivo en modo de comunicaciones y el SC en “bajo lógico” se realiza como primera medida la escritura del registro de comunicaciones. El bit más significativo del byte de la transferencia se debe colocar en 1 (como se muestra en la Figura anterior), indicando que la siguiente operación de transferencia de datos corresponde a la escritura del registro. Los siete (7) bits menos significativos del byte contienen la dirección del registro a ser escrito. El ADE7758 comienza el proceso de transferencia en el siguiente borde de bajada de la señal SCLK; los demás bits restantes del registro de datos son transferidos en los siguientes

140

bordes de bajada de los pulsos de la señal SCLK, como se muestra en la Figura 71 del diagrama de tiempos del proceso de escritura:

Figura 71: Diagrama de tiempos del proceso de escritura serial en el ADE7758

3.1.5.2. Proceso de lectura serial Durante el proceso de lectura del ADE7758, los datos son transferidos a través de la salida lógica DOUT cada borde de subida de la señal SCKL. Al igual que en el proceso de escritura, la lectura de datos debe ser procesada escribiendo el registro de comunicaciones. Con el ADE7758 en modo de comunicaciones y el SC en “bajo lógico”, es escrito un (1) byte en el registro de comunicaciones, como primera fase del proceso. El bit más significativo del byte a transferir debe ser puesto en 0, indicando que la siguiente operación de transferencia de datos es de lectura. Los 7 bits menos significativos del byte contienen la dirección del registro que va a ser leído. El dispositivo comienza la transmisión del contenido del registro en el siguiente pulso de subida de la señal SCLK. Consecutivamente la salida lógica de la señal DOUT cambia de estado de alta impedancia al manejo del bus de datos. Todos los restantes bits del registro de datos son enviados consecutivamente con los bordes de subida de la señal SCLK. La interface serial entra de nuevo en modo de comunicación, tan pronto como el proceso de lectura ha sido culminado. Lo anterior se ilustra en la Figura 72:

Figura 72: Diagrama de tiempos del proceso de lectura serial en el ADE7758

141

3.1.6. Visualizador de cristal líquido (LCD) El visualizador de cristal líquido utilizado contiene un módulo microcontrolador capaz de representar 4 líneas de 20 caracteres cada una. A través de 8 ó 4 líneas de datos se le envía el carácter ASCII que se desea visualizar así como los códigos de control que permiten realizar diferentes efectos de visualización. Igualmente si es requerido, por medio de estas líneas de datos el módulo devuelve información de su estado interno. Con otras tres señales adicionales se controla el flujo de información entre el módulo LCD y el microcontrolador de video. En la siguiente tabla se muestra la descripción de las señales empleadas por el módulo, así como el correspondiente número de pin:

Tabla 7: Descripción de señales del visualizador LCD En el Anexo E se ilustran los símbolos que pueden ser desplegados en el visualizador y en el Anexo F se muestran las instrucciones para la manipulación del LCD, las cuales fueron manejadas a través del microcontrolador de video. Con respecto a dichas instrucciones, cabe resaltar que para el proyecto se utilizaron sólo cuatro (4) bits del bus de datos, lo cual se configuró a usando la instrucción Funtion set, habilitando el bit DB4 en cero (o). En la Figura 73 se muestra la conexión entre el microcontrolador de video y el visualizador de cristal líquido, donde se observan las tres señales de control utilizadas:

• E (pin 38 del microcontrolador de video): Es el habilitador (enable).

142

• RS (Pin 39 del microcontrolador de video): Encargado de indicar si los datos transmitidos son de control o de información.

• RW (pin 40 del microcontrolador de video): Se le indica al LCD si se va a leer o se va a escribir.

• BUS DE DATOS: D4 a D7 (pines D4 a D7 del microcontrolador de video): Bus para la transmisión de datos.

Figura 73: Conexión entre el microcontrolador de video y el visualizador de cristal líquido

3.1.7. Formato de las tramas de comunicación En general el sistema desarrollado maneja tres (3) tramas diferentes, de las cuales dos (2) son de comunicación entre el subsistema de adquisición de señales y el subsistema de almacenamiento de datos. La restante corresponde a la trama de comunicación entre el microcontrolador principal y el microcontrolador de visualización local. A continuación de describe cada una de las tramas desarrollas:

3.1.7.1. Trama principal entre subsistemas Para la entrega de información entre los subsistemas de adquisición de datos y almacenamiento de datos, se ha generado una trama principal en la que se transmiten los datos de las mediciones realizadas en el extremo remoto, para su posterior visualización en el software de administración de datos.

143

Dicha trama está compuesta básicamente por un encabezado, seguido de las direcciones que cada una de las variables monitoreadas tiene asignada y el dato correspondiente, como se muestra en la Figura 74:

Figura 74: Esquema de trama principal de comunicaciones Con respecto a la figura anterior, es importante resaltar lo siguiente:

• Cada uno de los campos de la trama principal corresponde a 1 byte de información.

• El primer campo de la trama (letra I) identifica el inicio de la trama y sirve como bandera para que el software de administración de datos detecte la trama que se acaba de enviar.

• El último campo de la trama (letra F) identifica el final de la trama y sirve

como bandera para que el software de administración de datos detecte que ha terminado la trama.

• El segundo campo de la trama, corresponde al código ASCII de la tecla

ENTER (0x0Dh), lo cual sirve para separar cada uno de los datos que están siendo transmitidos y así determinar la separación entre datos consecutivos.

En la siguiente tabla se muestran los datos transmitidos61 y las direcciones correspondientes.

DATO Tx DIRECCION DE TRAMA

Versión Software 0 MID_RP_FASE_A 1 MID_RP_FASE_B 2 MID_RP_FASE_C 3 RP_VOLTAJE_FA 4 RP_VOLTAJE_FB 5 RP_VOLTAJE_FC 6

RP_CORRIENTE_FA 7

61 Los datos transmitidos corresponden a todas las variables medidas por el sistema, exceptuando las variables de Potencia y Factor de Potencia, las cuales son incluidas en otra trama.

144

RP_CORRIENTE_FB 8 RP_CORRIENTE_FC 9 RP_FRECUENCIA_FA 10 RP_FRECUENCIA_FB 11 RP_FRECUENCIA_FC 12

Temperatura 13 PE_FASE_A 14 PE_FASE_B 15 PE_FASE_C 16

PE_VOLTAJE_BATERIA 17 TA_RED 18

TA_PLANTA 19 UPS_VOLTAJE_FA 20 UPS_VOLTAJE_FB 21

UPS_CORRIENTE_FA 22 UPS_CORRIENTE_FB 23

UPS_FRECUENCIA_FA 24 UPS_FRECUENCIA_FB 25

UPS_VOLTAJE_BANCO_BATERIAS 26 UPS_VOLTAJE_NEUTRO_TIERRA 27

CONFIGURACION_TIEMPO62 28

Tabla 8: Datos transmitidos en la trama principal

3.1.7.2. Trama de información de potencias Teniendo en cuenta que los parámetros de Potencia y factor de potencia se visualizan en una ventana independiente del software de almacenamiento de datos, se generó una trama diferente que únicamente transmite los datos cuando al microcontrolador se le indica63 que se van a realizar mediciones de Potencia. En la Figura 75 se muestra el esquema de la trama enviada:

Figura 75: Esquema de trama de información de potencias

62 La variable CONFIGURACION_TIEMPO corresponde al valor que se ajusta desde la interface gráfica de administración de datos y corresponde a cada cuanto tiempo debe de reportar la información el subsistema de adquisición de datos. 63 Al microcontrolador se le indica que se cambia de trama, cuando desde la interface gráfica del software de gestión se selecciona la ventana de POTENCIA, enviando una palabra código que el microcontrolador interpreta.

145

Con respecto a la figura anterior, es importante resaltar lo siguiente:

• Cada uno de los campos de la trama principal corresponde a 1 byte de información.

• El primer campo de la trama (letra S) identifica el inicio de la trama de potencias y sirve como bandera para que el software de administración de datos detecte la trama que se acaba de enviar.

• El último campo de la trama (letra D) identifica el final de la trama de

potencias y sirve como bandera para que el software de administración de datos detecte que esta ha terminado.

En la siguiente tabla se muestran los datos transmitidos64 y las direcciones correspondientes.

DATO Tx DIRECCION DE

TRAMA FASE 1

POTENCIA_ACTIVA 2 POTENCIA_APARENTE 3 POTENCIA_REACTIVA 4

RP_FACTOR_POTENCIA 5

Tabla 9: Datos transmitidos en la trama de potencias Como se había mencionado anteriormente, la medición de potencia sólo se realiza con una fase activa; por tanto si el microcontrolador detecta que más de una fase está activa en el momento en el que se activa la ventana de POTENCIA, la trama de potencias cambia como se ilustra en la Figura 76:

Figura 76: Trama de error Donde, “E” identifica que existe más de una fase activa y que el sistema no puede inicializar el proceso de medición de potencias.

64 Los datos transmitidos corresponden a la fase que se está midiendo, las potencias y el factor de potencia.

146

3.1.7.3. Trama de comunicación entre microcontroladores Esta trama es la utilizada por el microcontrolador principal, para actualizar todos los datos al microcontrolador encargado de la visualización local. En la Figura 77 se muestra el formato de la trama enviada:

Figura 77: Formato de la trama de comunicación entre microcontroladores65

A diferencia de las anteriores tramas que son transmitidas al software de gestión de datos, en las cuales se hace necesario identificar el inicio y el final de la trama en el buffer de recepción serial del computador, ésta no requiere de encabezado ni finalización de trama ya que el microcontrolador es capaz de identificar la dirección cuando ella es recibida y así mismo, relacionar el dato asociado. La relación de los datos enviados en dicha trama, es la misma que se muestra en la Tabla 8, de los datos transmitidos en la principal.

3.1.8. Descripción general de los programas de los microcontroladores

A continuación se realiza una breve descripción de los programas implementados en los dos microcontroladores que componen el subsistema de adquisición de señales. Cabe resaltar que en los Anexos G y H se encuentran los diagramas de bloques detallados de cada uno de los programas desarrollados.

3.1.8.1. Microcontrolador principal En Figura 78 se visualizan los bloques principales que hacen parte del software desarrollado en el microcontrolador principal:

65 Cada uno de los campos de la trama de comunicación entre microcontroladores corresponde a un (1) byte de información.

147

INICIALIZACIÓN DEL MICROCONTROLADOR

CICLO INFINITO

Interrupción por Timer 0

Interrupción por Timer 1

Interrupción por Recepción de datos

Interrupción externa (ADE7758)

Figura 78: Diagrama de bloques general del software del microcontrolador principal

3.1.8.1.1. Proceso de inicialización El primer paso que se lleva a cabo en la inicialización del microcontrolador es la configuración de los puertos, es decir en este paso se determina cuáles de estos son entradas y cuáles salidas. En la Figura 79 se muestra la configuración que se lleva a cabo para el puerto A:

Figura 79: Configuración del puerto A En la anterior configuración del puerto A se observa que se declaró el pin RA0 como pin de entrada para el voltaje de batería de la planta y RA1 como pin de entrada66 del voltaje del banco de baterías de la UPS. Este mismo procedimiento se realizó para los puertos B, C, D y E, de acuerdo a las funciones explicadas en el subtitulo 3.1.3.1. Puertos (del microcontrolador principal). El siguiente paso es configurar los dos pines que van a ser utilizados como conversores análogos a digital ADC (RA0 y RA1), indicarles que trabajen con el reloj interno del microcontrolador y reiniciar el microcontrolador de video, como se ilustra en la Figura 80:

66 Se configura el pin como ENTRADA=”1 lógico” o SALIDA=”0 lógico”.

148

Figura 80: Configuración de pines ADC y reinicio de microcontrolador de video De acuerdo a lo almacenado en la memoria EEPROM67 se verifica el último estado del relevo y se ejecuta la acción de acuerdo al último estado almacenado allí, como se muestra en la Figura 81:

Figura 81: Verificación de último estado de relevo Seguidamente se configuran los timers utilizados y además se habilitan las interrupciones que van a llevarse a cabo en el proceso de funcionamiento del subsistema de adquisición de datos. Además se habilita para que las interrupciones sean detectadas por borde de bajada, como se observa en la Figura 82:

Figura 82: Configuración de timers en el microcontrolador principal

67 Como se explicó anteriormente, en la EEPROM está almacenado el último estado del relevo y el tiempo de actualización de datos al subsistema de almacenamiento de datos.

149

Finalmente en el proceso de inicialización se configura el ADE7758 de acuerdo a los parámetros que se desean medir con dicho dispositivo. Específicamente se realiza un reinicio del ADE7758 por software, se habilita la máscara de interrupción, se habilita el reinicio con lectura para los registros de energía y se lee el registro RSTATUS para levantar el pin de interrupciones del ADE7758 ( QRI ). Lo anterior se muestra en la Figura 83:

Figura 83: Configuración inicial del ADE7758 a través del microcontrolador principal

3.1.8.1.2. Ciclo infinito Después de inicializado el microcontrolador entra en un ciclo infinito para esperar que se genere una interrupción externa o que alguno de los timers se active para realizar un proceso específico, ya que el microcontrolador siempre debe estar ejecutando una rutina. Dicho ciclo se ejecuta de acuerdo a lo ilustrado en la Figura 84:

Figura 84: Instrucción para ejecución del ciclo infinito en el microcontrolador principal

3.1.8.1.3. Interrupción por Timer 0 El Timer 0 es utilizado para transmitir los datos recopilados al sistema de almacenamiento de datos. Constantemente el microcontrolador está verificando si el tiempo configurado desde la interface gráfica para el envío de datos ha desbordado con respecto al Timer 0, cuando lo haga se procede a ejecutar las rutinas de envío de datos. Se debe tener en cuenta que estas rutinas pueden ser

150

la del envío de la trama principal entre subsistemas68 o la trama de información de potencias69. Cuando se envía la trama de información de potencias el programa evalúa si hay más de una fase activa; de ser así envía la letra “E”, que indica al software del subsistema de almacenamiento de datos que debe desplegar una ventana de error ya que dicha condición no es válida. En la Figura 85 se muestran las instrucciones principales de la ejecución del Timer 0.

.....Rutinas de Envió de Datos........

Figura 85: Instrucciones de ejecución del Timer 0

3.1.8.1.4. Interrupción por Timer 1 Este Timer es utilizado para el envío de datos al microcontrolador de video. Dicho Timer está configurado para que desborde cada 4 segundos; por tanto cuando la variable Timer1_Counter alcanza el tiempo de desborde se realiza la transmisión de todos los datos adquiridos. La instrucción principal de dicho Timer se muestra en la Figura 86:

Figura 86: Comando de ejecución del Timer 1

68 Ver página 167. 69 Ver página 168.

151

Este Timer utiliza una función llamada Tx_Data_Video que es la encargada del envío organizado de las variables monitoreadas, La función se ilustra en la Figura 87:

Figura 87: Función Tx_Data_Video

3.1.8.1.5. Interrupción por recepción de datos

Esta interrupción se activa cuando el puerto que está conectado con el subsistema de almacenamiento de datos, detecta que ha llegado información. El procedimiento general radica en identificar qué palabra código fue enviada, dado que para cada una de esas palabras código corresponde una función específica preestablecida en el microcontrolador principal. Como se ilustra en la siguiente tabla:

PALABRA CÓDIGO FUNCIÓN 9 Reinicio del sistema 8 Encendido del relevo 7 Apagado del relevo 0 Configura tiempo de reporte a 15 s 1 Configura tiempo de reporte a 30 s 2 Configura tiempo de reporte a 1 min 3 Configura tiempo de reporte a 2 min 4 Configura tiempo de reporte a 5 min 5 Configura tiempo de reporte a 10 min I Inicio de trama de potencias F Fin de trama de potencias

Tabla 10: Funciones específicas y su respectiva palabra código

152

3.1.8.1.6. Interrupción externa (ADE7758) Esta interrupción es generada por el ADE7758 cuando alguno de los registros acumuladores de energía ha desbordado. Para esto se lee el registro STATUS (0x19h) para determinar la fuente de la interrupción, como se indica en la siguiente tabla:

BIT EN “1” Fuente de interrupción Primero Por registro de Energía Activa Segundo Por registro de Energía Reactiva Tercero Por registro de Energía Aparente

Tabla 11: Funciones específicas y su respectiva palabra código

En cualquiera de los tres casos el procedimiento se realiza de la siguiente manera:

1. Si es la primera vez que la interrupción es detectada, se realiza el “corrimiento del cero”, es decir que la variable creada para llevar el inicio de tiempo de dicha potencia, se iguala al valor que tiene el reloj global en ese instante. Además se inicia en cero el registro de acumulación de la energía que generó la interrupción.

2. Si no es la primera vez, se aumenta el contador de la energía respectiva que generó la interrupción, de acuerdo a las constantes que fueron declaradas.

3. Se realiza la conversión a Potencia de acuerdo a la energía que generó la interrupción, siguiendo el procedimiento anteriormente descrito de conversión de energía a potencia.70

4. Se llevo a cabo cálculo del Factor de Potencia, el cual sólo es ejecutado cuando se efectúa la interrupción por Energía Aparente71.

3.1.8.2. Microcontrolador de video En la Figura 88 se muestra el diagrama general del software del microcontrolador de video, donde sobresalen los bloques de: Inicialización, ciclo principal e interrupción por recepción de datos desde el microcontrolador principal.

70 El proceso de conversión a potencia sólo ocurre luego de la primera vez de interrupción de cada registro de energía del ADE7758. 71 Se realiza cuando se genera interrupción por Energía Aparente, ya que la Potencia Aparente es el denominador de dicho cálculo y si éste está en cero arrojará un dato erróneo.

153

INICIALIZACIÓN DEL MICROCONTROLADOR

CICLO PRINCIPAL

Interrupción por recepción de datos

Figura 88: Diagrama en bloques del software del microcontrolador de video

3.1.8.2.1. Proceso de inicialización El primer paso para la inicialización del microcontrolador de video es establecer los pines de cada uno de los puertos, para las respectivas entradas y salidas, por ejemplo en la Figura 89 se muestra la configuración del puerto C, al cual se le indica con “1 lógico” los pines de entrada y “0 lógico” los pines de salida.

Figura 89: Inicialización de puertos en el microcontrolador de video Se debe inicializar también el visualizador LCD y se ejecuta una rutina de barrido, que corresponde a activar todos los píxeles del LCD para verificar que todos estén trabajando correctamente. Después se habilita la interrupción por recepción de datos, se visualiza en el LCD un mensaje que dice “Inicializando, por favor espere…” hasta que el microcontrolador principal confirme el envío de datos. Lo anterior se muestra en la Figura 90:

Figura 90: Habilitación de la interrupción de datos en el proceso de inicialización del microcontrolador principal

154

3.1.8.2.2. Ciclo principal Una vez que se realiza el proceso de inicialización del microcontrolador, se procede a ingresar en el ciclo principal, el cual consiste en que el microcontrolador está verificando si el usuario presiona el botón de “UP” o “DOWN” durante un ciclo del cual sólo se sale si se detecta una interrupción por recepción de datos. En este ciclo se permite navegar dentro de todas las variables monitoreadas, las cuales se encuentran almacenadas en el microcontrolador. En la Figura 91 se muestra la función del ciclo principal:

Figura 91: Función del ciclo principal del microcontrolador de video Este ciclo contiene una función denominada PANTALLA, que permite visualizar los datos que contiene cada una de las variables a medida que el usuario manipula los botones de desplazamiento a través de los botones “UP” o “DOWN”. En la Figura 92 se visualiza la función de PANTALLA:

155

Figura 92: Función de PANTALLA del microcontrolador de video

3.1.8.2.3. Interrupción por recepción de datos Esta interrupción se activa cuando el microcontrolador detecta datos que están llegando a través del puerto de comunicación, el cual está conectado al microcontrolador principal. La interrupción está encargada de recibir los datos de las variables y almacenarlas para posteriormente realizar la visualización. Además, el subsistema de adquisición de señales cuenta con un LED que indica cuando hay recepción de datos en el microcontrolador de video; el cual se activa cuando se ejecuta la interrupción por recepción de datos. La programación de lo anterior se muestra en la Figura 93:

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Figura 93: Interrupción por recepción de datos en el microcontrolador de video La interrupción cuenta con una función denominada GUARDAR, la cual se encarga de almacenar los datos de las variables, de acuerdo a las tramas enviadas por el microcontrolador principal. En la Figura 94 se muestra un segmento de dicha función:

Figura 94: Función GUARDAR del microcontrolador de video

157

3.2. SUBSISTEMA DE COMUNICACIÓN Para la implementación del sistema de monitoreo en un esquema real, el subsistema de comunicación representa un factor importante ya que es el que se encarga de realizar el transporte de datos entre los dos extremos: el módulo de adquisición de datos, y el módulo de almacenamiento datos y visualización de alarmas. El primer componente del subsistema de comunicación es la interfaz de conversión Serial a Ethernet (ver en la figura x, como primer componente del subsistema), el cual representa una herramienta fundamental para lograr la gestión de desarrollos con comunicación serial dentro de redes Ethernet. Como se mencionó anteriormente en el marco teórico, se utilizó un conversor Xport, escogiendo un módulo que contiene un puerto serial72 y un puerto Ethernet, a través del cual se realiza la conexión a un puerto Ethernet de un enrutador o a un punto de una red LAN73 para poder acceder transparentemente a ésta. Con respecto a la implementación del dispositivo en el proyecto, es importante mencionar que éste tiene internamente una dirección MAC asignada y así mismo, se puede asignar una dirección IP para incluir dentro del direccionamiento de cualquier red que se tenga, sin presentar limitantes. Desde el extremo de la red Ethernet, estando conectada la interfaz se puede acceder al equipo conectado al puerto serial, estableciendo una sesión Telnet con el dispositivo y especificando un número de puerto virtual correspondiente al establecido para el puerto serial. Después de la interfaz serial – Ethernet, en la figura x del subsistema de comunicación, se muestra todo el esquema planteado para el caso de la implementación real en un nodo de la empresa Telefónica Colombia S.A.; donde se plantea utilizar la red de transporte propietaria ya que esto minimiza los costos del proyecto para la misma empresa; sin embargo teniendo en cuenta, que se ha decidido montar el prototipo en una maqueta que simule todo el esquema, no se va a realizar el montaje dentro de la red de la empresa, pero sin embargo se realizó el estudio de lo requerido a nivel de montaje del canal para realizar la conexión planteada: Para contemplar una adecuada utilización del ancho de banda para la transmisión de los datos requeridos, existe la posibilidad de utilizar la red Frame Relay de la

72 En el mercado hay dichos conversores para un mayor número de puertos seriales. (Existen interfaces con 2, 4, 8, 16 y 32 puertos seriales) 73 LAN (Local Area Network): Red de Area local.

158

empresa, la cual es manejada por los Switches Passport que se ilustran en la figura del subsistema. Para esto, es necesario utilizar los enrutadores que se muestran en los nodos remotos, accediendo a estos por el puerto Ethernet, y entrando a la red de transporte de la compañía a través de los multiplexores Newbridge.74

Teniendo en cuenta que no en todos los nodos remotos, hay disponibilidad de tarjetas Frame Relay (para el multiplexor Newbridge), se presentan dos opciones propuestas:

1. Si se tiene disponibilidad75 de la tarjeta Frame Relay en el multiplexor Newbridge, se asignaría desde este punto, un PVC76 de 8 Kbps para la transmisión de los datos. (este valor es estándar para los sistemas de gestión de la compañía, además es suficiente para el tráfico que genera el sistema de monitoreo)

2. Si no se tiene disponibilidad de la tarjeta Frame Relay, se puede

acceder al multiplexor Newbridge a través de un puerto V.35 disponible, y se transporta a través de la red en un time slot (64 Kbps) de una trama E1; siendo esta la menor velocidad posible de asignar para la red de transporte en un puerto V.35.

Desde la gestión de la red de la empresa, se tiene total control de los equipos Newbridge y Passport. Desde ella se realiza un path77 hasta el multiplexor Newbridge o Switch Passport más cercano con disponibilidad en recursos Frame Relay, siendo este un canal transparente; y allí se podría asignar un PVC de los mismos 8 Kbps del primer caso. Esto con el fin de generar una aplicación eficiente, en el caso de implementar el sistema en un número elevado de nodos. Ya que si no se pudiese realizar este último encapsulamiento a Frame Relay, se debería utilizar un (1) time slot por cada nodo monitoreado y sería una aplicación ineficiente en cuanto al ancho de banda utilizado. Este esquema con múltiples nodos se plantea en la siguiente gráfica:

74 En todos los nodos la empresa hay al menos un Multiplexor Newbrigde. 75 Se refiere a la disponibilidad física de la tarjeta y a disponibilidad de ancho de banda (estas tarjetas tienen una capacidad de 4 Mbps). 76 PVC: Permanent Virtual Connection. 77 Path. Conexión lógica entre dos equipos de la red.

159

Figura 95: Esquemas con múltiples nodos78

Retomando la idea de la maqueta de nuestro prototipo, se simplifica toda la configuración expuesta anteriormente de los equipos de la red de la empresa, ya que se tienen múltiples opciones para simular el escenario:

• Con dos enrutadores en configuración back to back se puede representar el escenario de una red WAN, realizando la adecuada configuración de los equipos para simular un canal de comunicaciones. Estos equipos representarían los dos enrutadores de borde que se observan en la figura anterior del subsistema de comunicación.

Figura 96: Esquemas de enrutadores con conexión serial back to back

78 En esta configuración cabe mencionar que se tienen switches PASSPORT, sólo en los principales nodos del País; Es decir, en las ciudades donde se concentra el tráfico de ciudades secundarias. En la actualidad hay 10 switches Passport trabajando en la red de Backbone de la empresa.

160

• También se tiene la opción de realizar la conexión de la interfaz serial -Ethernet del subsistema de adquisición de señales a un punto de una red LAN, asignando correctamente la dirección IP de acuerdo al direccionamiento de dicha red y teniendo en cuenta una dirección disponible. Por otro lado, se ejecutaría el aplicativo del software desarrollado en una computadora perteneciente a la red, verificando el intercambio de datos entre ambos extremos del sistema.

Figura 97: Esquemas conexión del sistema dentro de una red de área local

• La posibilidad más sencilla que se presenta, es la de utilizar un cable de red UTP tipo cross-over79 para realizar la conexión directa entre la interfaz serial – Ethernet y una computadora en la cual se ejecuta el aplicativo del software desarrollado. Aunque ésta opción es la más sencilla en cuanto a montaje de infraestructura, puede garantizar que el sistema funcione dentro de cualquiera de los esquemas propuestos y así mismo en el montaje con la red de transporte de la empresa.

79 Cable tipo crossover o cruzado: En ésta configuración de cable UTP se intercambian las señales de transmisión y recepción en ambos extremos. Este cable permite realizar conexión de entre equipos DCE con DCE o DTE con DTE. En la siguiente página se explica el tipo del cable y el pinout: http://www.duxcw.com/digest/Howto/network/cable/cable5.htm. En la pagina web: http://www.coloredhome.com/cable_cruzado/cable_cruzado.htm, se explica didácticamente el procedimiento para fabricar el cable cruzado.

161

3.3. SUBSISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE DATOS Este subsistema se basa en un software que se encarga de recibir todos los datos procesados por el subsistema de adquisición de datos y realizar la compleja labor de verificación de parámetros, visualización de datos, generación de alarmas y reportes. Como se mencionó anteriormente en las especificaciones, el software fue desarrollado en el programa Microsoft Visual Basic Ver. 6.0 teniendo en cuenta algunos parámetros importantes:

• Los integrantes del grupo manejaban previamente el programa, lo cual es

una ventaja significativa en el desarrollo del proyecto, minimizando el tiempo de aprendizaje con respecto a su manejo. Sin embargo, muchos de los esquemas que se desarrollaron en el proyecto no eran conocidos, lo cual requirió investigar y profundizar sobre diferentes aplicaciones.

• La interface gráfica del programa Microsoft Visual Basic Ver. 6.0 es

suficientemente poderosa para la aplicación que se requería, permitiendo generar ventanas con las diferentes opciones de los nodos, adquirir datos de los administradores usuarios y generar alarmas, todo de una manera amigable dentro de la interface gráfica.

• El programa Microsoft Visual Basic Ver. 6.0 ofrece las características de

procesamiento adecuadas para la aplicación, permitiendo ejecutar los procesos rápidamente con respecto a la captura y comparación de datos de cada variable, así mismo desplegando las alarmas respectivas con un tiempo de respuesta muy adecuado.

• Capacidad para el manejo y conexión con bases de datos, permitiendo

desarrollar una aplicación unificada, que maneje diferentes utilidades de una manera eficiente.

• El programa Microsoft Visual Basic Ver. 6.0 tiene la opción de manejar

puertos seriales usando el componente MSComm, lo cual permite configurar los puertos para generar la comunicación con los puertos seriales remotos.

Inicialmente se generó un prototipo de pruebas para poder verificar la adecuada recepción de los datos que se estaban transmitiendo desde el extremo remoto y así mismo, para realizar pruebas de la capacidad del programa, respecto a los requerimientos del desarrollo. En la Figura 98 se muestra la interfaz que se desarrolló, para realizar las pruebas iniciales:

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Figura 98: Interface gráfica desarrollada como prototipo de pruebas

Para realizar las pruebas iniciales del software, se realizó un montaje en el que se transmitían datos de las variables adquiridas y se transmitían serialmente a una computadora que tenía corriendo el aplicativo del software de pruebas. De acuerdo a la figura anterior, en la ventana que se observa a la derecha se recibía toda la trama enviada desde el extremo remoto sin modificaciones y lo que se hacía en este programa era desglosar toda la trama y generar la visualización del valor de cada variable en las dos columnas que se encuentran a la izquierda y el centro de la interface gráfica. De acuerdo a lo anterior se verificó la adecuada recepción de los datos, el correcto desglosamiento de la trama recibida y la velocidad de respuesta del software, con respecto a los cambios generados en el extremo donde se adquirían las señales. Como se mencionó anteriormente, esta interface era sólo para realizar las pruebas del desempeño con respecto a la recepción de las tramas recibidas desde el subsistema de adquisición de señales, y aunque no se realizó un desarrollo profundo en la parte esquemática se logró el objetivo inicial que era certificar que se podría llevar a cabo todo el desarrollo bajo este lenguaje de programación.

163

Después de haber realizado las pruebas y obtenido los resultados deseados, se generó la estructura del software general, el cual básicamente estaría compuesto por una base de datos y una interface gráfica:

3.3.1. Base de datos Para la base de datos desarrollada, se utilizó el programa Microsoft Access 2000 el cual es manejado por los autores del proyecto, cumple con los requerimientos del sistema y adicionalmente, es compatible con el programa Visual Basic Ver. 6.0.

3.3.2. Tablas La base de datos desarrollada está compuesta por 4 tipos de tablas, las cuales se muestran en la Figura 99:

Figura 99: Pantalla inicial de la Base de datos

Los tipos tablas están nombradas como USUARIOS, NODOS, PRINCIPAL_COM (Número de puerto creado) y DETALLE_COM (Número de puerto creado); las dos últimas son generadas automáticamente cada vez que se configura un nuevo nodo. A continuación se describen cada una de las tablas generadas:

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3.3.2.1. Tabla: USUARIOS En esta tabla se almacenan los usuarios administradores que harán uso del software de monitoreo. En la Figura 100 se muestra la pantalla de dicha tabla:

Figura 100: Tabla de usuarios administradores Como se observa en la figura anterior, ésta contiene los datos de nombre, cédula, teléfono, dirección y un password para cada administrador.

3.3.2.2. Tabla: NODOS Esta tabla contiene la información correspondiente a los nodos que están configurados en el sistema de monitoreo, por ello se almacena el nombre del nodo, el puerto COM por el cual está recibiendo y transmitiendo los datos de dicho nodo desde el sitio remoto. Adicional a esto, se tiene la información de la dirección IP que está asignada a la interfaz de conversión serial a Ethernet que se encuentra en el nodo remoto; este dato es vital ya que el software realiza una verificación de conectividad realizando un ping a dicha dirección y con la respuesta obtenida de la operación se puede determinar si la interface de conversión está activa. También se incluyen los datos del Ingeniero responsable del citado nodo, el teléfono y dirección física del nodo. En la Figura 101 se muestra la tabla en mención:

Figura 101: Tabla de Nodos

165

3.3.2.3. Tabla: PRINCIPAL_COM (Número de puerto creado) Esta tabla contiene el historial de todas las alarmas que se han generado en el sistema. El esquema que se ha manejado es el de identificar cada una de las alarmas con un ID (número que identificación único por alarma), por tanto en la tabla se almacena el ID, la variable que presentó la alarma, el valor de dicha variable, la hora y la fecha en la cual se generó. En la Figura 102 se muestra la tabla:

Figura 102: Tabla PRINCIPAL_COM(Número de puerto creado)

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3.3.2.4. Tabla: DETALLE_COM (Número de puerto creado) Esta tabla almacena la información detallada de todas las variables del sistema, medidas en el momento que se generó una alarma. La estrategia utilizada para la creación de esta tabla consiste en relacionar los datos de cada alarma con el identificativo N_ALARMA que se observa en la siguiente figura; es decir cuando se genera una alarma se crea un ID en la tabla PRINCIPAL_COM, luego en la tabla de DETALLE_COM se asocian todos los valores de las variables del sistema en ese instante, con el ID de identificación situado en la casilla N_ALARMA de la tabla. En la Figura 103 esta es mostrada:

Figura 103: Tabla DETALLE_COM(Número de puerto creado)

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3.3.3. Interface gráfica La aplicación desarrollada cuenta con una interface gráfica, la cual representa un factor clave dentro del proyecto planteado; pues en general el éxito de los sistemas de monitoreo y gestión, (contemplando su adecuado desempeño técnico) radica en las facilidades de su uso y en lo amigable que sea, frente a las opciones que ofrece el software. La interface gráfica desarrollada soporta toda la interacción con el usuario incluyendo la autenticación de administradores, manipulación en cuanto a modificaciones de nodos administrados y el despliegue de todas las alarmas generadas por el sistema. La interface gráfica cuenta con cuatro (4) formularios principales los cuales trabajan conjuntamente en la aplicación, de acuerdo a los eventos que se vayan presentando en la actividad del sistema. Los formularios se explican a continuación:

3.3.3.1. Formulario de inicio Este formulario inicial se despliega al ejecutar el aplicativo del software y en éste se debe seleccionar el usuario (si ya está registrado como administrador) y colocar el respectivo password de autenticación para tener acceso al sistema de monitoreo. En caso de no ser correcto el password no se podrá acceder al programa. Las siguientes figuras muestran las pantallas de inicio del programa:

Figura 104: Listado de usuarios registrados

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Figura 105: Selección de usuario que desea acceder al sistema

Figura 106: Validación de password inválido

3.3.3.2. Formulario de diagrama de nodos Una vez validado el usuario, se despliega automáticamente el formulario con el diagrama de los nodos que se encuentran configurados en el sistema, como se ilustra en la Figura 107:

169

Figura 107: Formulario de diagrama de nodos Para crear nuevos usuarios o eliminar usuarios existentes, se debe ingresar en el menú SESION y luego seleccionar la opción ADMINISTRADOR DE CUENTAS, como se observa en la Figura 108:

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Figura 108: Opción para modificar los usuarios administradores Después de esto se desplegará una ventana donde se puede ingresar la información del nuevo usuario o eliminar un administrador existente, como se señala en la Figura 109:

Figura 109: Formulario para ingresar o eliminar usuarios administradores

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Después de ingresados los datos del nuevo usuario, se selecciona el botón de AGREGAR y queda registrado el usuario como permitido para acceder al sistema de monitoreo.

Figura 110: Ejemplo para ingresar un administrador al sistema Para el caso de eliminar un usuario existente, estando en la ventana de ADMON CUENTAS se selecciona el usuario y se despliega la siguiente ventana:

Figura 111: Opción para eliminar usuarios Donde sólo se debe oprimir el botón ELIMINAR para finalizar la operación. La primera vez que se ejecuta el programa se deben configurar los nodos siguiendo el siguiente procedimiento: Se ingresa a la opción CONFIG NODOS en el menú superior, y aparecerá una ventana en la que se solicita información del nuevo nodo a agregar dentro del sistema, como muestra la Figura 112:

172

Figura 112: Ventana para configurar un nuevo nodo Donde se ingresan los datos principales del nodo, los cuales quedarán almacenados en la tabla de NODOS de la base de datos. Como se mencionó anteriormente, aquí se debe escoger el puerto COM virtual que se usará para intercambiar datos con el nodo remoto, como se ilustra en la Figura 113:

Figura 113: Selección de puertos COM virtuales Igualmente es importante la dirección IP que aparece en la ventana, ya que ésta es la dirección de la interfaz Serial – Ethernet que se encuentra ubicada en dicho nodo. Los demás datos son de información general que puede ayudar a la administración de los nodos. En esta misma ventana se tiene la opción de verificar la conectividad con la interfaz remota, seleccionando el botón de TEST donde el programa ejecuta un PING a la dirección IP del equipo remoto. En las siguientes figuras se muestran el caso de conectividad exitosa y no exitosa:

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Figura 114: Prueba de PING satisfactoria

Figura 115: Prueba de PING fallida Estando en el esquema principal del formulario de Diagrama de nodos, se tiene la opción de consultar la información principal de un nodo ya configurado, seleccionando el botón CONSULTAR que se encuentra en cada uno de los nodos activos. Así mismo se tiene la opción de ELIMINAR NODO en la ventana de INFORMACIÓN NODOS. Las anteriores opciones se muestran en la Figura 116:

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Figura 116: Consulta de un nodo configurado con opción de ELIMINAR NODO Dentro del formulario de Diagrama de nodos, el cual será la ventana principal del sistema de monitoreo, es importante resaltar que en caso de generarse una alarma ya sea de conectividad o de alguno de los parámetros monitoreados, se generará una alarma visual en el borde de dicho nodo, para indicar que se presenta un evento fuera del rango establecido como normal.

3.3.3.3. Formulario de infraestructura eléctrica por nodo Este formulario se obtiene después de seleccionar un nodo configurado en el sistema y aquí se muestra la configuración del esquema de soporte eléctrico de los nodos de la empresa, donde se visualizan los componentes principales de soporte eléctrico, y así mismo la distribución real dentro de los montajes que se tienen.

175

Dentro de los bloques que se muestran, el único al cual no se le está actualizando información es al de EQUIPOS DE COMUNICACIÓN, el cual simula toda la infraestructura de comunicaciones a la cual se le está dando soporte. El esquema del formulario se muestra en la Figura 117:

Figura 117: Formulario de Infraestructura Eléctrica por nodo El sistema puede detectar la conectividad con el nodo remoto, validándose la conectividad con el bombillo que se encuentra ubicado en la parte superior izquierda del formulario. Cuando dicho bombillo se encuentra en color verde indica que hay conectividad con el nodo remoto; en caso contrario, éste se visualizará de color rojo. Adicionalmente, se tiene la ventana Rx Serial la cual sirve para indicar cuando hay recepción de datos desde el microcontrolador principal del subsistema de adquisición de señales. Cuando se está generando la recepción de datos, la ventana se coloca de color rojo.

176

Estando en la ventana principal de este formulario, se tiene la opción de verificar los parámetros adquiridos pertenecientes a cada grupo, simplemente seleccionando el bloque de interés. En esta operación, es importante resaltar que los datos que se visualizan son actualizados cada tiempo t, donde t es el tiempo configurado para la adquisición de datos. En la Figura 118 se muestra la visualización de las variables medidas en cada bloque:

Figura 118: Visualización de parámetros monitoreados Si el usuario tiene el sistema mostrando las variables monitoreadas, como se muestra en la figura anterior, se puede percibir una alarma de un evento anormal, ya que se cambia el color de la variable alarmada. Dentro del formulario de infraestructura eléctrica se tiene la ventana de POTENCIA, la cual permite visualizar los parámetros de Potencia Activa, Potencia Reactiva, Potencia Aparente y Factor de Potencia. Además el software detecta la

177

fase que se encuentra activa para la medición80. La ventana de POTENCIA se muestra en la Figura 119:

Figura 119: Ventana de POTENCIA En caso de estar más de una (1) fase activa en el proceso de medición de Potencias, se desplegará una ventana de error indicando que hay más de una fase activa. El sistema tiene la opción de configurar los rangos, en los que se considera que las variables son permitidas; es decir que si se encuentra fuera del rango especificado se generarán las alarmas visuales respectivas. Para la configuración de los parámetros, se debe ingresar desde el menú superior en la opción de UMBRALES y allí se desplegará la ventana que se muestra en la Figura 120:

80 Teniendo en cuenta que para las mediciones de Potencia, sólo puede estar una (1) fase activa.

178

Figura 120: Configuración de umbrales En la configuración se especifica el valor mínimo y máximo de cada variable monitoreada. Luego de ingresar los umbrales, se debe seleccionar el botón GUARDAR y volverá al menú anterior con las actualizaciones realizadas. Como se mencionó anteriormente, el sistema tiene la posibilidad de cambiar el tiempo de actualización de datos, donde se tienen 6 opciones las cuales se señalan en la Figura 121:

179

Figura 121: Configuración de tiempo de actualización de datos Dicha opción permite tener control sobre el intervalo de tiempo en el cual se está enviando información desde el sitio remoto; este parámetro es importante ya que se debe considerar, en las diferentes situaciones que se presenten en cuanto al tráfico de la red. En la figura anterior también se pueden apreciar los botones de RESET y ON/OFF; donde el primero permite reiniciar de manera remota el subsistema de adquisición de señales, generando una comunicación directa con el microcontrolador principal y realizando una rutina para el reinicio total del sistema. El botón ON/OFF permite manipular de manera remota una salida digital que se encuentra en la tarjeta del subsistema de adquisición de datos, que permite de manera lógica activar o desactivar un relevo que se encuentre conectado a dicho contacto; logrando con esto tomar decisiones en cuanto al encendido o apagado de dispositivos, máquinas o equipos localizados en el nodo remoto.

180

3.3.3.4. Formulario de reportes Este formulario se encarga de generar todos los reportes de alarmas que se generan en el sistema. Para visualizar éste formulario estando dentro del formulario de Infraestructura Eléctrica del Nodo, se debe seleccionar del menú superior la opción de REPORTES, lo cual generará la visualización del formulario. Dentro de este formulario se encuentran incluidas las tablas PRINCIPAL_COM y DETALLE_COM, las cuales se explicaron anteriormente y se encargan de almacenar todo el detalle de las alarmas ocurridas en el sistema. La tabla PRINCIPAL_COM se encuentra en la parte superior del formulario y la tabla DETALLE_COM está en la parte inferior del formulario, como se pueden observar en la siguiente figura. Para verificar un listado de alarmas generadas en el sistema, se debe inicialmente escoger una fecha en la ventana que aparece en la parte superior derecha del formulario y seguidamente seleccionar el botón GENERAR; lo anterior se visualiza en la Figura 122:

Figura 122: Visualización del formulario de reportes

181

Después de seleccionar una fecha del calendario, se crea un listado de todas las alarmas generadas en dicha fecha. Dicho listado está localizado en la ventana que se encuentra en la parte superior izquierda del formulario, permitiendo seleccionar la alarma deseada. Este paso se observa en la Figura 123:

Figura 123: Listado de alarmas obtenido en el Formulario de reportes Teniendo el listado de las alarmas presentes, se puede seleccionar la alarma deseada por verificar y se obtiene el respectivo registro de la variable principal que generó el reporte en la tabla superior, donde se especifica la fecha, hora y variable que generó la incidencia, y así mismo se especifica el valor de la variable. Adicionalmente, en la tabla de la parte inferior se muestra el listado de todas las variables en el instante en el que se generó la alarma, esto con el fin de realizar verificación y análisis de causas de la incidencia. Es importante detallar que en la tabla inferior está el identificativo N. ALARMA el cual coincide con el número de alarma que se está visualizando. Lo anterior se muestra en la Figura 124:

182

Figura 124: Visualización de formulario de reportes con todas las opciones

3.3.4. Descripción general del software del subsistema de almacenamiento de datos El diagrama en bloques general del software desarrollado se muestra en la Figura 125, mostrando los principales eventos que se ejecutan durante el proceso de funcionamiento del sistema:

183

PROCESO DE INICIALIZACIÓN

RECEPCIÓN DE DATOS

GENERACIÓN DE ALARMAS

TEST DE CONECTIVIDAD

ANALISIS DE TRAMA

RECIBIDA

TRANSMISIÓN DE DATOS

RANGOS DE ALARMAS

ALMACENAMIENTO DE VARIABLES EN

BASE DE DATOS

Figura 125: Diagrama en bloques general del software del subsistema de almacenamiento de datos

De acuerdo al diagrama anterior, a continuación se explican los bloques generados. Se debe tener en cuenta que el diagrama en bloques detallado del software se encuentra en el Anexo I.

3.3.4.1. Proceso de Inicialización Durante este proceso se desarrolla la importante función de declarar las funciones globales, que se utilizan durante todo el proceso de ejecución del software. En la Figura 126 se muestra la manera como se declaran las variables utilizadas:

Figura 126: Declaración de variables

184

También es importante resaltar que en dicho proceso se realiza la creación de los formularios, determinando cual de estos es visible durante el inicio del programa. Además, se inicializa la conexión del software con la base de datos. Lo anterior se visualiza en las siguientes Figuras:

Figura 127: Determinación de estados de los formularios

Figura 128: Inicialización de conexión del software con la base de datos

3.3.4.2. Test de conectividad81

Este bloque desarrolla la función de generar una trama, la cual verifica la conectividad con el extremo remoto; es decir con el dispositivo de conversión Serial a Ethernet. Se debe resaltar que dicho bloque fue adquirido por Internet a través de un foro de desarrolladores de Visual Basic 6.0. Ingresando la dirección IP del extremo remoto, el módulo permite determinar el estado del dispositivo al cual está asociada dicha dirección IP. Por ejemplo, en la Figura 129 se pueden apreciar los mensajes que el módulo genera de manera predeterminada, según los estados que éste es capaz de detectar:

81 Módulo obtenido de la dirección Web: http://www.portalvb.com/VB32CFAp.asp?Ap=0002

185

Figura 129: Mensajes generados por el módulo de conectividad

3.3.4.3. Recepción de datos Principalmente el bloque de recepción de datos se basó en el evento MsComm1.input, para leer todos los datos que se encuentran en el buffer de recepción del computador en el que se instaló el software desarrollado para generar su posterior procesamiento. En la siguiente Figura se muestra la línea de código en la que se captura toda la información del puerto y se almacena en una variable denominada Bufferent:

Figura 130: Código de Captura de información

186

3.3.4.3.1. Análisis de trama recibida Teniendo la trama recibida almacenada en una variable, se procede a extraer la información que se encuentra contenida en dicha trama. Para esto, se utiliza el formato de trama (previamente definido) que indica que cada dato está separado por un espacio. Hay dos eventos importantes en la recepción de los datos:

1. Cuando se reciben datos de confirmación, cuando la orden impartida desde el subsistema de almacenamiento de datos fue realizada por el software de almacenamiento de datos.

2. Cuando la trama llega con datos de información de los datos monitoreados (independiente si se trata de la trama principal o la trama de potencias).

Para el primer caso, se utiliza una función llamada Mid para la búsqueda de datos en un string; cuya función principal es extraer la información de la trama que se encuentra en una posición específica de ésta. El código para programar lo anterior se muestra en la siguiente Figura:

Figura 131: Función Mid Como los datos de confirmación llegan en el primer campo del string, lo que se realiza con la función, es determinar si en el string en la primera posición de éste, se encuentra la letra R. De ser así, el sistema debe mostrar un mensaje que indica que el equipo se ha inicializado. En el segunda caso se usa la función Split para encontrar datos dentro de la cadena del string, que se encuentran en medio de dos indicadores. Por ejemplo, si se recibiera la trama: - DATO1 – DATO2 -, la función extrae los datos que se encuentran en medio de los guiones y los almacena en la respectiva variable. En la siguiente Figura se muestra el código de la función Split:

Figura 132: Función Split

187

3.3.4.4. Transmisión de datos Para el envío de información hacia el subsistema de adquisición de señales, se utiliza el evento denominado MsComm1.output el cual permite realizar el envío de los datos que se tienen en el buffer de salida. En la siguiente Figura se muestra la implementación del evento dentro del software:

Figura 133: Evento MsComm1.output

3.3.4.5. Generación de alarmas Dentro del ambiente gráfico se generaron ventanas, que permiten cambiar de colores de acuerdo a la condición que se genere en cada momento. Un ejemplo de dichas ventanas se muestra en la Figura 134:

Figura 134: Ejemplo de ventana con borde de color

188

Se puede dar el caso en el que el botón rojo cambie a verde si el nodo es detectado en línea; de ésta manera se pueden validar condiciones para las cuales algunas variables se encuentren fuera de los rangos establecidos, generando alarmas de éste estilo que permiten que el usuario se percate de fallas que están ocurriendo en el sistema. Lo anterior también se puede visualizar en el siguiente código, el cual muestra la manera en que se analiza una variable para determinar si está dentro o fuera del rango establecido como válido; y a su vez cambiar el color de la ventana.

Figura 135: Código de comparación de rangos

3.3.4.5.1. Almacenamiento de variables en Base de datos Cuando una variable se sale del rango establecido previamente como válido, se deben de ejecutar tres procesos:

1. Se debe almacenar el valor de la variable en la base de datos. 2. Se debe capturar el valor de todas las demás variables y almacenarlas en

la base de datos. 3. Guardar información de la fecha y hora en la que ocurren los eventos de los

numerales 1 y 2. La siguiente Figura muestra cómo una variable es analizada y se determina si está dentro o fuera del rango permitido; así mismo, se verifica si se debe o no almacenar dicha información en la base de datos.

Figura 136: Análisis de variables dentro de rangos preestablecidos Para este proceso de cuenta con una función llamada Llenar_Base, la cual permite abrir la base de datos e ingresar los valores que se han analizado junto con la hora y la fecha de ocurrencia. Se puede visualizar que se abre primero la tabla principal, donde se almacena la variable por la cual se generó la alarma. Adicionalmente se adicionan en la tabla DETALLES todos los demás valores que

189

tuvieron las otras variables en el mismo instante, como se ilustra en la siguiente Figura:

Figura 137: Función Llenar_Base

3.3.4.6. Rango de alarmas Como se ha descrito anteriormente, para determinar si una variable está dentro de los rangos permitidos o no, se ha creado una tabla en la cual se permiten almacenar los valores mínimos y máximos para la generación de las respectivas alarmas. A continuación se muestra el diagrama de la tabla que almacena esta información:

190

Figura 138: Tabla de Access con información de rangos de variables Se creó una rutina llamada Settings, que permite leer de la tabla donde se encuentran almacenados los rangos de las variables, el valor mínimo y máximo de una variable específica. En la siguiente Figura se muestra el código de la función:

Figura 139: Función Settings

191

3.4. MONTAJE FÍSICO Después de tener el subsistema de adquisición de señales trabajando perfectamente en la tarjeta de prototipos82 se procedió con el montaje de todo el subsistema en el circuito impreso desarrollado83. En la Foto 3 se muestra la tarjeta en proceso de montaje:

Foto 3: Proceso de montaje del circuito impreso Con respecto a la distribución de los diferentes elementos del circuito se tuvo prioridad en asignar en los extremos las borneras que reciben las señales externas que se están monitoreando. Como se observa en la anterior foto, en la parte derecha (borneras ya soldadas) se encuentra la zona para adquisición de señales de la red eléctrica pública y en la parte izquierda (borneras no instaladas) se tiene la zona para adquisición de señales de la UPS y planta eléctrica. Igualmente, se dejaron en los bordes del circuito los conectores externos (alimentación DC y salida RS232) y pines de conexión que permiten realizar la programación de los dos microcontroladores. La anterior distribución se asignó para dar orden al circuito y así mismo facilitar la identificación en las conexiones. Un factor muy importante dentro del desarrollo del proyecto es el montaje físico del subsistema de adquisición de señales, ya que dicho módulo se realizó para estar

82 “Protoboard”. 83 En el Anexo L se ilustra el desarrollo final del circuito impreso, el cual se desarrollo en el programa PROTEL.

192

ubicado en el extremo de los nodos de comunicaciones y por tanto debe estar sujeto a las condiciones físicas particulares del sitio. En la siguiente Foto se muestra la caja externamente, donde se observa la posición del visualizador de cristal líquido y los botones de navegación:

Foto 4: Muestra física: Caja del subsistema de adquisición de señales

De acuerdo a lo anterior se realizó el montaje de la tarjeta de circuito impreso dentro de una caja metálica que se ajustó a las condiciones requeridas, como son las dimensiones adecuadas y los accesos para el cableado de alimentación y de datos. En las siguientes fotos se muestra la distribución del circuito impreso dentro de la caja, donde se observa claramente la forma en la que se realizó la conexión de las diferentes señales adquiridas.

Foto 5: Distribución de circuito impreso dentro de la caja de montaje

193

Foto 6: Conexiones del circuito impreso dentro de la caja de montaje

En la Foto 6 se muestran las conexiones del circuito impreso con el visualizador de cristal líquido y los botones de navegación. También se pueden apreciar las marquillas numéricas que tiene cada uno de los cables que llegan a las borneras, siendo esto de vital importancia para establecer la nomenclatura de las conexiones que existen entre el subsistema de adquisición de señales y los diferentes puntos de donde se adquieren las variables monitoreadas, que para el caso del prototipo del proyecto es una caja de pruebas. Este punto es muy importante ya que permite dar confiabilidad en las conexiones realizadas, evitando errores que pueden ser muy significativos. En la siguiente tabla se muestra la nomenclatura de conexiones utilizada:

CAJA DE PRUEBAS84

NUMERO CABLE85

VARIABLE POSICION DE

BORNERA86

BORNERA DE

SMIE87

8 29 Voltaje Fase 1 Red Publica 11 VAP (RP) 9 40 Voltaje Fase 2 Red Publica 10 VBP (RP) 10 42 Voltaje Fase 3 Red Publica 9 VCP (RP) 6 48 Transferencia 1 1 TR 7 44 Transferencia 2 2 TP

85 Numeración de cable que conecta las dos cajas (cable amarillo). 86 Posición de bornera de izquierda a derecha en caja de pruebas. 87 Nombre estampado en la tarjeta de circuito impreso del subsistema de adquisición de señales.

84 Dentro de las conexiones internas que tiene la caja de pruebas, cada cable que llega a bornera tiene éste identificativo.

194

84 20 Corriente Fase 1 Red Publica 17 IAP (RP) 64 24 Corriente Fase 1 Red Publica 16 IAN (RP) 68 25 Corriente Fase 2 Red Publica 15 IBP (RP) 44 26 Corriente Fase 2 Red Publica 14 IBN (RP) 88 27 Corriente Fase 3 Red Publica 13 ICP (RP) 66 28 Corriente Fase 3 Red Publica 12 ICN (RP) 13 47 MID Fase 1 Planta Eléctrica 19 FAP (P) 14 45 MID Fase 2 Planta Eléctrica 18 FBP (P) 11 52 Voltaje Fase 1 UPS 4 VAP (UPS) 12 50 Voltaje Fase 2 UPS 3 VBP (UPS) 26 59 Corriente Fase 1 UPS 8 IAP (UPS) 29 57 Corriente Fase 1 UPS 7 IAN (UPS) 27 56 Corriente Fase 2 UPS 6 IBP (UPS) 20 55 Corriente Fase 2 UPS 5 IBN (UPS) 0 49 Neutro 29 Neutro 46 Tierra Verde VCP (UPS) 99 Voltaje Batería Planta No Aplica BP+ 96 Voltaje Batería Planta No Aplica BP - 7 Voltaje Batería UPS No Aplica BU+ 8 Voltaje Batería UPS No Aplica BU -

Tabla 12: Nomenclatura de conexiones entre caja de pruebas y subsistema adquisición de señales

Como se mencionó anteriormente, para la verificación de todo el sistema se realizó una caja de pruebas la cual permite simular de manera controlada las posibles situaciones o estados especiales que se pueden medir; por ejemplo la ausencia de las señales de la red eléctrica pública, entrada o salida de la planta eléctrica, variaciones de las señales de la UPS, conmutación de la transferencia automática y variaciones de corriente de las anteriores señales involucradas, entre otras. En la Foto 7 se muestra internamente la caja de pruebas, donde se observan los interruptores utilizados para simular las señales, el conmutador que simula la transferencia automática y los transformadores de corriente, los cuales están instalados sobre cada línea de alimentación.

195

Foto 7: Caja de pruebas internamente

En la Foto 8 se observa más claramente la nomenclatura de los interruptores y el cableado interno:

Foto 8: Vista de numeración de interruptores de caja de pruebas

196

El diagrama eléctrico de la caja de pruebas se ilustra en la Figura 140, donde es conveniente aclarar lo siguiente:

• La nomenclatura de círculos color naranja corresponde al número de marquilla de los cables internos de la caja de pruebas.

• La numeración en formato “No. Bout” corresponde a la posición de la

bornera de izquierda a derecha.

• La definición de “SW No.” corresponde a los interruptores que se ilustran en la Foto anterior y que simulan cada fase monitoreada.

197

Figura 140: Diagrama eléctrico de caja de pruebas

Fase A RP

Fase C RP

Fase B RP

FASE A UPS

Tierra

Neutro

FASE B UPS

28 b Out

24 B Out

26 B Out

SW 1

SW 3

SW 2

1

2

3

1 B Out

2 B Out

SW 4

SW 5

SW 6

SW 8

SW 7

4

5

22 B Out

20 B Out

18 B Out

19 B Out

Neutro

GND

1

5

1

0

2

4

3

6

7

8

9

10

11

12

0

14

13

8

9

10

21 B Out 23 B Out 25 B Out 27 B Out 29 B Out

0 0 0 0 0

6468448866 84

26292720

Diagrama Eléctrico de Maqueta de Pruebas de SMIE

9 B

Out

10 B

Out

11 B

Out

12 B

Out

13 B

Out

14 B

Out

15 B

Out

16 B

Out

17 B

Out

4 B

Out

3 B

Out

5 B

Out

6 B

Out

7 B

Out

8 B

Out

198

En la Foto 9 se muestra la distribución de las borneras de salida de la caja de pruebas y su correspondiente numeración:

Foto 9: Borneras de salida de la caja de pruebas

Finalmente, en las siguientes Fotos se muestra todo el sistema interconectado:

Foto 10: Vista No. 1 del sistema interconectado

199

Foto 11: Vista No. 2 del sistema interconectado

200

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS A lo largo del desarrollo del proyecto, se realizaron múltiples pruebas tanto a nivel de software como de hardware; pruebas individuales y con todo el sistema funcionando. Las pruebas individuales más importantes consistieron básicamente en lo siguiente:

Verificación del adecuado funcionamiento de los sensores y transductores utilizados; y así mismo la interacción de éstos con el microcontrolador principal.

Verificación de comunicación entre el microcontrolador principal y el

microcontrolador de video, interacción entre el microcontrolador de video y el visualizador de cristal líquido y verificación de la adecuada actualización de datos en el visualizador.

Pruebas con las diferentes tramas manejadas entre el subsistema de

adquisición de señales y el subsistema de almacenamiento de datos.

Adecuada recepción de datos por parte del software del subsistema de almacenamiento de datos y correcta manipulación de las tramas recibidas.

Actualización en base de datos, manipulación de reportes y visualización de

parámetros en la interface gráfica.

Cambio de los rangos de alarmas de las variables, desde la interface gráfica.

Después de superadas todas las pruebas individuales, se procedió con la verificación del funcionamiento de todo el sistema en conjunto, utilizando la maqueta de pruebas que se explicó en el capítulo anterior y realizando la conexión como se ilustra en la Foto 11. Se realizaron pruebas conectando diferentes cargas en la maqueta y generando condiciones de funcionamiento las cuales se ilustran a continuación: Es importante resaltar que a continuación se registran las medidas obtenidas con el sistema de monitoreo y previamente se realizó toda la verificación de rango de alarmas el cual es manejado desde la interface gráfica del subsistema de almacenamiento de datos; es decir, se ha tomado cada variable y se han variado los rangos válidos para verificar la adecuada respuesta en la visualización de alarmas.

201

MEDICIONES DE VOLTAJE DE LA RED ELÉCTRICA PÚBLICA Se realizaron mediciones en las tres fases de la red eléctrica pública simulada, utilizando un VARIAC de 120 V – 6A para realizar las variaciones en la amplitud de la señal de voltaje, obteniendo los siguientes valores:

MEDICIÓN CON FLUKE 41B (VRMS)

MEDICION CON SMIE (VRMS)

120.4 123.6 112.3 115.2 105.5 108.0 96.4 99.0 82.8 85.0 77.0 79.0 70.7 72.6 65.9 67.6 60.3 61.8 55.4 56.8

Tabla 13: Mediciones de Voltaje de la red eléctrica pública

DIAGRAMA DE DISPERSION MEDICIONES VOLTAJE RED ELECTRICA PÚBLICA

40 50 60 70 80 90

100 110 120 130

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 OBSERVACION

LECTURA PATRONLECTURA DE SMIE

VOLT

AJE

(V)

Figura 141: Comparación de mediciones de Voltaje de red eléctrica pública (Diagrama de dispersión)

202

MEDICIONES DE VOLTAJE DE LA UPS Se realizaron mediciones en las dos fases de la red regulada (UPS) simulada, utilizando un VARIAC de 120 V – 6A para realizar las variaciones en la amplitud de la señal de voltaje, obteniendo los siguientes valores:

MEDICIÓN CON FLUKE 41B (VRMS)

MEDICION CON SMIE (VRMS)

120.7 121.8 115.0 115.9 110.2 111.1 100.7 101.2 95.3 96.2 85.3 86.0 75.8 76.4 70.0 70.9 60.5 60.8 50.2 50.7

Tabla 14: Mediciones de Voltaje de la UPS

DIAGRAMA DE DISPERSION MEDICIONES DE VOLTAJE UPS

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11OBSERVACION

VOLT

AJE

(V)

LECTURA PATRONLECTURA DE SMIE

Figura 142: Comparación de mediciones de Voltajes regulados (Diagrama de dispersión)

203

MEDICIONES DE VOLTAJE DC DE LA BATERÍA DE LA PLANTA ELÉCTRICA Se realizaron variaciones del voltaje DC, simulado con una fuente triple BK PRECISION 1660 dentro del rango estipulado como válido para ésta medida (0 VDC a 15 VDC). Se obtuvo los siguientes resultados:

MEDICIÓN CON FLUKE 41B (VDC)

MEDICION CON SMIE (VDC)

14.5 14.5 13.0 13.0 11.5 11.4 10.0 10.0 8.5 8.5 7.0 7.0 5.5 5.4 4.0 4.0 2.5 2.4 1.0 1.0

Tabla 15: Mediciones de Voltaje DC de la batería de la planta eléctrica

DIAGRAMA DE DISPERSION MEDICIONES VOLTAJE DC BATERIA PLANTA ELECTRICA

0123456789

10111213141516

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11OBSERVACION

VOLT

AJE

(VD

C) LECTURA PATRON

LECTURA SMIE

Figura 143: Comparación de mediciones de Voltaje DC de batería planta eléctrica (Diagrama de dispersión)

204

MEDICIONES DE VOLTAJE DC DEL BANCO DE BATERÍAS DE LA UPS Se realizaron variaciones del voltaje DC, simulado con una fuente triple BK PRECISION 1660 dentro del rango estipulado como válido para ésta medida (0 VDC a 225 VDC)88. Se obtuvo los siguientes resultados:

MEDICIÓN CON FLUKE 41B (VDC)

MEDICION CON SMIE (VDC)

62.0 61.8 60.5 60.3 56.5 56.4 55.0 55.0 53.0 52.9 51.5 51.3 50.0 50.1 40.0 40.2 30.0 29.8 20.0 19.7

Tabla 16: Mediciones de Voltaje DC del banco de baterías de la UPS

DIAGRAMA DE DISPERSION MEDICIONES DE VOLTAJE DC BANCO DE BATERIAS UPS

18

23

28

33

38

43

48

53

58

63

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10OBSERVACION

VOLT

AJE

(VD

C)

LECTURA PATRONLECTURA SMIE

Figura 144: Comparación de mediciones de Voltaje DC del banco de baterías de la UPS (Diagrama de dispersión)

88 Para las pruebas con la fuente BK PRECISION sólo se verificó hasta el rango de 60 VDC.

205

MEDICIONES DE CORRIENTE EN LAS FASES DE LA RED ELÉCTRICA PÚBLICA Se realizaron mediciones en las tres fases de la red eléctrica pública simulada, utilizando diferentes cargas para variar el consumo de corriente y poder verificar la medición del sistema de monitoreo, obteniendo los siguientes valores:

MEDICIÓN CON FLUKE 41B (ARMS)

MEDICION CON SMIE (ARMS)

12.67 13.2 9.89 10.2 7.99 8.40 6.53 6.60 3.23 3.40 2.88 3.00 2.37 2.50 2.10 2.20 0.76 0.8 0.52 0.50

Tabla 17: Mediciones de Corriente de la red eléctrica pública

DIAGRAMA DE DISPERSION MEDICIONES DE CORRIENTE RED ELECTRICA PÚBLICA

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 OBSERVACION

CO

RR

IEN

TE (A

)

LECTURA PATRON

LECTURA SMIE

Figura 145: Comparación de mediciones de Corriente de red eléctrica pública (Diagrama de dispersión)

206

MEDICIONES DE CORRIENTE EN LAS FASES DE LA UPS Se realizaron mediciones en las dos fases activas de la UPS simulada, utilizando diferentes cargas para variar el consumo de corriente y poder verificar la medición del sistema de monitoreo, obteniendo los siguientes valores:

MEDICIÓN CON FLUKE 41B (ARMS)

MEDICION CON SMIE (ARMS)

16,9 16,2 11,0 10,9 6,92 6,6 4,80 4,6 4,04 3,9 3,40 3,3 3,01 2,9 2,40 2,3 2,10 2,0 0,52 0,5

Tabla 18: Mediciones de Corriente de la UPS

DIAGRAMA DE DISPERSION MEDICIONES DE CORRIENTE UPS

0123456789

1011121314151617

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10OBSERVACION

CO

RR

IEN

TE (A

)


Figura 146: Comparación de mediciones de Corriente de la UPS (Diagrama de dispersión)

207

MEDICIONES DE POTENCIAS Y FACTOR DE POTENCIA Se realizaron pruebas con diferentes cargas para verificar las mediciones de potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente y factor de potencia. En la siguiente tabla se ilustran los resultados obtenidos: POTENCIA ACTIVA (W) FLUKE 41B

POTENCIA ACTIVA (W)

SMIE

POTENCIA REACTIVA

(VAR) FLUKE 41B

POTENCIA REACTIVA

(VAR) SMIE

POTENCIA APARENTE

(VA) FLUKE 41B

POTENCIA APARENTE (VA) SMIE

PF FLUKE 41B PF SMIE

29 27.6 53 51 61 60.6 0.480 0.455 45 42.2 72 69 111 102 0.405 0.413 90 96.2 7 8 90 94 1.00 1.02 251 254 9 11 251 245 1.00 1.03 280 286 13 14 282 279 0.99 1.02 330 337 16 18 333 341 0.99 0.98 705 653 25 21 707 641 0.99 1.01

Tabla 19: Mediciones de Potencia Activa, Potencia Reactiva, Potencia Aparente y Factor de Potencia en la red eléctrica pública

DIAGRAMA DE DISPERSION MEDICIONES DE FACTOR DE POTENCIA

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7OBSERVACION

FAC

TOR

DE

POTE

NC

IA


Figura 147: Comparación de mediciones de Factor de Potencia (Diagrama de dispersión)

208

Es importante resaltar que para las mediciones de Factor de Potencia, se utiliza un reloj global del microcontrolador principal, el cuál ocasionalmente se ve afectado por las rápidas interrupciones que genera el dispositivo ADE7758, lo que puede generar retardos en el conteo del reloj de acumulación de tiempo, ocasionando que las medidas de potencia se desvíen del valor real. Esto ocurre cuando se tienen cargas de alto consumo de potencia, las cuales generan constantes interrupciones de los registros acumuladores de energía. Para disminuir este grado de error, se utilizó un preescalizador por cada potencia (WDIV, VARDIV, VADIV) los cuales están incluidos en el ADE7758. Dichos registros permiten retardar el llenado de los registros de acumulación de energía, logrando con esto que las interrupciones que se generan hacia el microcontrolador no sean tan rápidas y se pueda realizar el procesamiento de una manera más eficiente. Con respecto a los errores presentados en las mediciones de voltaje y corriente, se justifican teniendo en cuenta que existen condiciones mecánicas en los elementos de adquisición de señales (montaje, cableado, ruido externo) y adicionalmente existen diferencias en los valores de los componentes utilizados para realizar el acondicionamiento de las señales externas. De las anteriores pruebas se puede resaltar que todas las mediciones arrojaron valores muy satisfactorios, comparándolos con las mediciones del patrón utilizado. En la siguiente tabla se muestra el error máximo obtenido con cada una de las variables medidas.

VARIABLE MEDIDA % ERROR MAX. VOLTAJES RED ELECTRICA PUBLICA 2,70% VOLTAJES UPS 1,29% VOLTAJE BATERIA PLANTA ELECTRICA 4% VOLTAJE BANCO DE BATERIAS UPS 1,50% CORRIENTE RED ELECTRICA PUBLICA 5,48% CORRIENTE UPS 4,76% FACTOR DE POTENCIA 5,20%

Tabla 20: Error máximo de cada prueba ejecutada De acuerdo a los objetivos planteados para el proyecto, se debe mencionar que únicamente no se trabajó directamente89 sobre el referente a la utilización de la 89 No se pretende decir que no se cumplió el objetivo, simplemente que en el proyecto se realizó de una manera simulada por los motivos expuestos anteriormente; pero el sistema está en la plena capacidad de ser implementado en la red de datos de la empresa Telefónica Colombia o cualquier otra que permita un acceso a través de un puerto Ethernet.

209

red de datos de Telefónica Colombia, pero se aclara que se procedió de esta manera ya que en conjunto con el Director de Tesis se decidió crear una maqueta de pruebas aislada, para poder verificar todos los parámetros incluidos dentro del sistema de monitoreo; pues al realizar el montaje dentro de la red de la empresa, sería imposible verificar el funcionamiento del sistema, ya que no se puede realizar manipulación sobre la infraestructura que da soporte a los equipos de comunicaciones de la red nacional de datos. Adicionalmente en el desarrollo, se plantearon los escenarios de prueba del sistema para simular la red de transporte de la empresa y así mismo se realizaron las pruebas pertinentes para garantizar el adecuado funcionamiento de la solución propuesta. De los demás objetivos planteados todos fueron abarcados exitosamente, como se explicó en el desarrollo del proyecto. 4.1. Presupuesto La siguiente tabla muestra el presupuesto de los materiales que se emplearon en el desarrollo del proyecto:

Cant. Descripción Valor

Unitario Valor Total

Circuito Impreso

1 Tarjeta SMIE 300000 300000 Integrados

7 MID 400 15000 105000 2 PIC18F452 en empaque DIP 40000 80000 2 PIC18F452 en empaque TQFP 55000 110000 4 ADE7758 en empaque SOIC 18000 72000 1 MAX232 5000 5000 Modulo de Comunicaciones

1 Modulo Xport Lantronix 450000 450000 Componentes Varios

1 LDC 20x4 con Back Light 95000 95000 2 Cristales de 10 MHz 3000 6000 2 Cristales de 20 MHz 3000 6000 1 Conectores para circuito impreso 6000 6000 5 Hileras de Bornera para Caja Metálica 10000 50000 5 Hileras de Borneras para Circuito Impreso 8500 42500 1 Componentes (Resistencias y condensadores) 15000 15000 3 Led Verde 1000 3000

210

Cajas

1 Caja de pruebas eléctricas 45000 45000 1 Caja de subsistema de adquisición de señales 35000 35000 1 Adecuación de las cajas 15000 15000 1 Cable UTP Categoría 5e 5000 5000 Transductores

5 Transformadores de Corriente CR Magnetics 12000 60000

METROS Cables 40 Cable de control AWG 18 200 8000 10 Cable de potencia AWG 12 250 2500 1 Cinta de 8 hilos 1500 1500 1 Cables varios 10000 10000 Imprevistos

1 Daños en la tarjeta de SMIE y componentes90 450000 450000 PESOS TOTAL $1´977.500

Tabla 21: Presupuesto del proyecto Las diferencias del presupuesto real con el planteado en el anteproyecto, es importante resaltar que inicialmente se realizó una valoración global pero no se tenía identificado claramente todo lo requerido para la ejecución del mismo, sin embargo verificando el valor total en cuanto a materiales, la diferencia es de aproximadamente $400.000, el cual es justificado básicamente por los sobrecostos que se presentaron con el ítem de imprevistos. Es importante tener en cuenta que dentro del presupuesto planteado no se están incluyendo las horas de trabajo de los autores, lo cual generaría un incremento significativo en el proyecto, pero éste podría ser balanceado con el precio del producto final. Al comparar diferentes sistemas de monitoreo91 que son ofrecidos en el mercado para la aplicación en cuestión, muchos de los cuales están delimitados por determinado número de entradas análogas y digitales, se podría ofrecer el producto instalado a un precio de $3.500.000 por cada nodo, precio que sería una oferta muy tentadora para los clientes, teniendo en cuenta todas las características del sistema. 90 Dentro de este valor se incluye compra de componentes, fletes de transporte, fabricación de nuevo circuito impreso y gastos adicionales. 91 Sistemas ofrecidos por empresas como CODENSA, EQUITEL S.A., XANTREX, INFOMEDIA y ENABLE TECHNOLOGIES S.A.

211

Con respecto al presupuesto planteado, se debe resaltar que si se realiza una producción masiva del sistema, el precio de componentes y fabricación de circuitos impresos se reducirá considerablemente, lo cual generará un decremento significativo del costo de cada sistema, permitiendo ofrecer un descuento adicional en el producto.

212

5. CONCLUSIONES En el desarrollo del proyecto se presentaron diferentes acontecimientos, los cuales permiten reflexionar sobre situaciones y planteamientos que en un principio no eran trascendentales desde el punto de vista de los autores y que finalmente afectaron la forma de ejecutar el trabajo de grado y seguramente la forma de afrontar en el futuro proyectos como Ingenieros Electrónicos. A continuación se profundiza sobre dichas situaciones importantes por resaltar: El plantear un proyecto real (aunque se trate de un prototipo) con una empresa de Telecomunicaciones, representa un gran compromiso para los autores ya que se tiene la responsabilidad de cumplir con unos objetivos planteados inicialmente en conjunto con el personal involucrado de la compañía. Así mismo, el desarrollo del proyecto abre de manera significativa la visión de todas las variables que se encuentran involucradas en el desarrollo de un proyecto de Ingeniería. Un aspecto importante por resaltar, es que fue de gran utilidad el hecho de conocer claramente la necesidad de la empresa, por desarrollar un sistema de monitoreo de la infraestructura eléctrica de sus nodos y además conocer las condiciones específicas de éstos y de la red de transporte. Adicionalmente, se considera muy valiosa la constante colaboración por parte de la empresa, en especial del departamento de infraestructura el cual prestó todo el apoyo para la adecuada consecución del proyecto. En el desarrollo del proyecto se presentaron diferentes problemas de los cuales, los principales, y que son muy importantes de resaltar son: El principal inconveniente que se presentó y generó el mayor retardo en la finalización del proyecto, fue la documentación del dispositivo ADE7758 ya que en la parte de medición de parámetros de energía se encontraron grandes inconsistencias las cuales en un comienzo hicieron que no se lograran obtener las medidas de energía y por tanto de potencia. Después de un contacto creado directamente con el departamento encargado del desarrollo del dispositivo en la empresa fabricante92, se lograron clarificar las dudas ya que efectivamente se habían encontrado errores en las observaciones realizadas por parte de los responsables del proyecto y por tanto se logró realizar la adecuada manipulación del dispositivo. Lo anterior se presentó básicamente por la reciente salida al mercado de dicho dispositivo y las constantes correcciones que se están realizando en el manual de usuario. 92 Rachell Caplan. Measurement Department Analog Devices.

213

Otro inconveniente que se presentó en la parte final del proyecto, el cual representó costos adicionales e igualmente retardo en la finalización, fue un accidente que se presentó con la tarjeta de circuito impreso del subsistema de adquisición de señales, generándose un corto circuito con un alambre el cual se encontraba sobre la mesa cuando se realizaban pruebas. Esto ocasionó el daño del microcontrolador principal, dispositivos MID400 y pistas del circuito impreso. Por el daño presentado se incurrió en gastos inesperados como la compra de nuevos componentes (teniendo en cuenta que éstos no son conseguidos en Colombia) y se debió ordenar la fabricación nuevamente del circuito impreso; pero finalmente se considera que de errores como éste, aunque son complicados de manejar en su momento, representan una etapa importante de aprendizaje dentro del desarrollo del proyecto, ya que son situaciones que a diario se presentan a nivel profesional y que deben ser tenidas en cuenta para prevenir dichas situaciones y así mismo en el proceso de planificación y ejecución de un proyecto. Es muy importante mencionar la visión que ha generado el desarrollo del proyecto, ya que desde un punto de vista global se encontró que con la herramienta generada se pueden llevar a cabo estudios similares a nivel estructural, de gestión y monitoreo los cuales actualmente son apetecidos a nivel empresarial y representan una posible fuente de negocio. Se dice a nivel estructural, ya que analizando se puede concluir que pueden crearse múltiples proyectos para diferentes sectores y aplicaciones, los cuales a nivel de desarrollo, simplemente generan pequeños cambios a lo creado en el presente proyecto. Como ejemplo, se mencionan las pruebas satisfactorias realizadas con este sistema, para realizar el monitoreo de equipos de comunicaciones que no están gestionados remotamente en los nodos de la empresa Telefónica Colombia. Específicamente, se realizaron pruebas de gestión a través de una red IP con unidades de Microondas a través de sus puertos seriales y radios Spread Spectrum gestionando su nivel de ganancia AGC. Esta importante herramienta se logra con la utilización de la interface de conversión Serial a Ethernet, ya que ésta permite la integración de antiguos equipos que traen interfaz serial de monitoreo, con las actuales redes IP. Se considera significativo resaltar la importancia del montaje físico del proyecto en cuanto a los acabados y así mismo lo atractivo que debe ser una interface gráfica en los desarrollos de software, ya que desde el punto de vista comercial es fundamental tener en cuenta cada detalle en lo referente a montaje y condiciones específicas del cliente. Otro aspecto el cual no debe pasar por alto es la importancia del análisis de costos, ya que el éxito en el desarrollo de proyectos incluye una adecuada planificación de todas las variables externas, imprevistos, disponibilidad de elementos y todos los incrementos que esto puede traer a un proyecto real, pudiendo convertirlo en un fracaso o éxito rotundo. Lo anterior se resalta teniendo

214

en cuenta que en el desarrollo del presente proyecto se presentaron situaciones que no fueron planificadas ni proyectadas a nivel de costos y que aumentaron el valor final del producto desarrollado; pero precisamente ayuda a reflexionar sobre la importancia de la planificación y el análisis previo de manera global. Como pieza clave del proyecto, se destaca el dispositivo ADE7758 que aunque presentó dificultades para la manipulación, representa una herramienta muy poderosa y económica, para la medición de parámetros de calidad de energía; pues integradamente por cada dispositivo utilizado, se integró la medición de variables de voltaje, corriente, frecuencia, potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente, por tres fases; logrando una optimización de recursos utilizados, ya que inicialmente se planteó un esquema de medición para cada una de las variables mencionadas. Así mismo, contemplando las múltiples alternativas que ofrece el dispositivo, se considera que puede ser la base para desarrollar equipos de gestión de parámetros de energía a nivel domiciliario, por lo que se recomienda promover su profundización dentro de los estudiantes, para desarrollo de futuros trabajos de grado. Un aspecto importante por resaltar es que el presente desarrollo, aunque se realizó de acuerdo a los parámetros de los nodos de la empresa Telefónica Colombia, se ha dejado abierto para nuevas mediciones, es decir que tanto a nivel de software como de hardware el sistema tiene la capacidad de ser adaptado para recibir nuevas señales para condiciones especiales. Específicamente, para los nodos de la empresa se utilizan plantas eléctricas y UPS bifásicas, por lo que dentro del desarrollo se trabajó con éstos parámetros, pero sin embargo en el circuito impreso (hardware) y el software del subsistema de almacenamiento de datos se tiene la opción de incluir mediciones de una fase adicional. Lo anterior es muy importante ya que a nivel de ingeniería los cambios se presentan constantemente; por tanto los proyectos exitosos deben de estar en capacidad de adaptarse rápida y económicamente. Adicionalmente, el proyecto queda abierto para futuras actualizaciones, ya que dentro del esquema de gestión y monitoreo remoto se presentan continuamente nuevas opciones, que dan al usuario mayor control y seguridad sobre los elementos monitoreados. Ahora mismo, se pueden plantear nuevas mejoras detectadas claramente en el sistema: Se puede dedicar esfuerzo en robustecer el sistema, cambiando el enfoque de monitoreo a gestión remota, es decir que se puedan involucrar múltiples acciones que son importantes por realizar a distancia. Por ejemplo, efectuar toda la manipulación del sistema de soporte eléctrico, teniendo la posibilidad de prender, apagar o establecer estados específicos de la planta eléctrica, UPS y bancos de baterías adicionales. También se podría tomar control sobre sistemas de acceso e iluminación de los nodos y adicionar la gestión de unidades microondas, radios de tecnología Spread Spectrum, fraccionadores y demás equipos de comunicaciones que actualmente no pueden ser accedidos remotamente, logrando claramente una

215

herramienta muy poderosa para la compañía, ya que el éxito y confiabilidad de las empresas de telecomunicaciones radica en el tiempo de disponibilidad de la red. Otra posibilidad de mejora del proyecto, puede ser la independización de medidas de potencia, ya que este estudio se delimitó a realizar mediciones de calidad de energía únicamente teniendo una fase activa, por las situaciones que se expusieron en el desarrollo del proyecto, referentes a la señalización de interrupciones por parte del dispositivo ADE7758. Aunque el planteamiento fue aceptado por la empresa, teniendo en cuenta que las verificaciones de estos parámetros se efectúan cuando se ejecuta la lista de chequeo de infraestructura eléctrica y en ésta se manipulan las fases independientemente, se considera benéfico el obtener dichas medidas con todas las fases trabajando simultáneamente. Finalmente, se concluye que se ha desarrollado un prototipo muy competitivo frente a las necesidades de la empresa Telefónica Colombia y así mismo puede llegar a ofrecerse como un producto para su implementación; lográndose cumplir y superándose las expectativas de los objetivos planteados inicialmente.

216

ANEXO A. Hojas de especificaciones93

93 Las hojas de especificaciones de todos los dispositivos utilizados en el proyecto se encuentran contenidas en el CD_1.

217

ANEXO B. Señales de la interface PCB del dispositivo Lantronix

218

ANEXO C. Diagramas circuitales

219

Esquema de puertos I/O de Microcontrolador principal94

RA019

RA120

RA221

RA322

RA4/T0CKI23

RA5/SS24

RB0/INT8

RB19

RB210

RB311

RB414

RB515

RB616

RB717

RC0/T1OSO/T1CKI 32

RC1/T1OSI 35

RC2/CCP1 36

RC3/SCK/SCL 37

RC4/SDI/SDA 42

RC5/SDO 43

RC6/TX 44

RC7/RX 1

RD0/PSP0 38

RD1/PSP1 39

RD2/PSP2 40

RD3/PSP3 41

RD

4/PS

P42

RD

5/PS

P53

RD

6/PS

P64

RD

7/PS

P75

RE

0/R

D25

RE

1/W

R26

RE

2/C

S27

VD

D28

VSS

6

VSS

29

MC

LR

/VPP

18

OSC

1/C

LK

I30

OSC

2/C

LK

O31

NC

12

NC

13

NC

33

NC

34

VD

D7U1

MC

LR

/VPP

RB6/PGClockRB7/PGData

R6 1k+5

Osc

_1O

sc_2

Volt Banco Bat. (UPS)

MID 1 PLANTAMID 2 PLANTAMID 3 PLANTA

SDISDOSCL

IRQ_AIRQ_B

CS_

A

TX_PCRX_PC

CS_

B

MID

1 R

ED

PU

BM

ID 2

RE

D P

UB

MID

3 R

ED

PU

B

C80.1uF

+5

Volt_Bat (Planta)

VRef-VRef+

DATOS_VIDEO

RESET CPU VIDEO

RX_READY_VIDEO

1 2Y1

20MHz

C515pF

C615pF

Osc

_2

Osc

_1

D21N4148

R44.7k

R5

470C70.22uF/25V

+5

MCLR/VPP

Programmer MCLR

Programmer MCLRRB6/PGClockRB7/PGData 1

234

CON2

CB1

Jumper

R7 1k

R81k

+5

94 Esquema de puertos I/O de Microcontrolador principal: Se muestra la distribución general de puertos asignados al microcontrolador principal del proyecto; dicho microcontrolador es el encargado de la adquisición de los datos y de la transmisión serial hacia subsistema de comunicación. Así mismo envía los datos adquiridos al microcontrolador de video, encargado de la visualización local. En la figura se observan todas las señales de entrada, que representan las variables medidas en el proyecto. La distribución de puertos se realizó de acuerdo a las necesidades del mismo circuito, incluyendo el número de periféricos y de componentes externos involucrados. En el desarrollo se profundizó en los circuitos desarrollados.

220

Circuito para el envió y recepción de datos del computador95

C1+1 VDD 2

C1-3

C2+4

C2-5

VEE 6

T2OUT 7

R2IN 8R2OUT9

T2IN10 T1IN11

R1OUT12 R1IN 13

T1OUT 14

GND15

VCC 16

U2

MAX232

C90.1uF

C100.1uF

C130.1uF

C110.1uF

+5

C120.1uF

TX

RX

162738495

CON3

DB9 Hembra

95 Circuito para el envió y recepción de datos desde el subsistema de Adquisición de señales: cabe mencionar que la única función de éste circuito dentro del proyecto es la de cambiar los niveles de voltaje de TTL a RS-232 y viceversa. Esto con el fin de acoplar los niveles lógicos con que trabajan los periféricos involucrados en el proyecto.

221

Circuito del ADE7758 para las mediciones de la Red Eléctrica Pública96

APCF1

DGND2

DVDD3

AVDD4

IAP5

IAN6

IBP7

IBN8

ICP9

ICN10

AGND11

REF IN/OUT12

DOUT 24

SCLK 23

DIN 22

CS 21

CLKOUT 20

CLKIN 19

IRQ 18

VARCF 17

VAP 16

VBP 15

VCP 14

VN 13

U3

R12

1k C14

33nF

R14

1k

T11000:1

C15

33nF

R15

1k C16

33nF

R17

1k

T21000:1

C17

33nF

R18

1k C18

33nF

R20

1k

T31000:1

C19

33nF

C2533nF

R221k

R23

330kAC3115V

U4

PC817

R9

820

1 2

LED3

3mm

R11470

VCC

1234

CON4

APCF / VARCF

+5

C21100nF

C2010uF/25V

R1316.2

R1616.2

R1916.2

+5

C23100nF

C2210uF/25V

R211k

C2433nF

C2633nF

R241k

R25

330kAC2115V

C2733nF

R261k

R27

330kAC1115V

R10

470

1 2LED4

3mmVARCF_rp

VRCF_rp

IRQ_A

1 2

Y2

10MHz

C28

22pF

C29

22pF

CS_A

SDO

SCL

SDI

Fase

Fase

Fase

Neutro

Neutro

Neutro

96 Circuito del ADE7758 para las mediciones de la Red Eléctrica Pública: Es importante resaltar que dichos componentes (ADE7758) toman muestras de las variables a medir por cada fase y entregan éstos datos al microcontrolador principal a través del protocolo SPI (Serial Port interface) el cual es un protocolo serial síncrono y se realiza a través de un bus de cuatro líneas.

222

Circuito del ADE7758 para las mediciones de la UPS97

APCF1

DGND2

DVDD3

AVDD4

IAP5

IAN6

IBP7

IBN8

ICP9

ICN10

AGND11

REF IN/OUT12

DOUT 24

SCLK 23

DIN 22

CS 21

CLKOUT 20

CLKIN 19

IRQ 18

VARCF 17

VAP 16

VBP 15

VCP 14

VN 13

U3

R12

1k C14

33nF

R14

1k

T11000:1

C15

33nF

R15

1k C16

33nF

R17

1k

T21000:1

C17

33nF

R18

1k C18

33nF

R20

1k

T31000:1

C19

33nF

C2533nF

R221k

R23

330kAC3115V

U4

PC817

R9

820

1 2

LED3

3mm

R11470

VCC

1234

CON4

APCF / VARCF

+5

C21100nF

C2010uF/25V

R1316.2

R1616.2

R1916.2

+5

C23100nF

C2210uF/25V

R211k

C2433nF

C2633nF

R241k

R25

330kAC2115V

C2733nF

R261k

R27

330kAC1115V

R10

470

1 2LED4

3mmVARCF_rp

VRCF_rp

IRQ_A

1 2

Y2

10MHz

C28

22pF

C29

22pF

CS_A

SDO

SCL

SDI

Fase

Fase

Fase

Neutro

Neutro

Neutro

97 Circuito del ADE7758 para las mediciones de la UPS: En general el circuito realiza la misma función del circuito del ADE para mediciones de la Red Eléctrica Pública; los dos circuitos se diferencian simplemente de donde están tomando las muestras, ya que uno está en la red eléctrica pública y el otro en la salida de la UPS.

223

Diagrama circuital del microcontrolador encargado de la visualización local98

RA019

RA120

RA221

RA322

RA4/T0CKI23

RA5/SS24

RB0/INT8

RB19

RB210

RB311

RB414

RB515

RB616

RB717

RC0/T1OSO/T1CKI 32

RC1/T1OSI 35

RC2/CCP1 36

RC3/SCK/SCL 37

RC4/SDI/SDA 42

RC5/SDO 43

RC6/TX 44

RC7/RX 1

RD0/PSP0 38

RD1/PSP1 39

RD2/PSP2 40

RD3/PSP3 41

RD

4/PS

P42

RD

5/PS

P53

RD

6/PS

P64

RD

7/PS

P75

RE

0/RD

25R

E1/

WR

26R

E2/

CS27

VD

D28

VSS

6

VSS

29

MC

LR

/VPP

18

OSC

1/C

LK

I30

OSC

2/C

LK

O31

NC

12

NC

13

NC

33

NC

34

VD

D7U7

RB6/VRB7/V

R47 1k+5

Osc

V_1

Osc

V_2

C460.1uF

+5

RE

SET

CPU

VID

EO

1 2Y4

20MHz

C4715pF

C4815pF

Osc

V_2

Osc

V_1

D31N4148

R514.7k

R52

470C70.22uF/25V

+5

RESET CPU VIDEO

Programmer MCLR_V

Programmer MCLR_VRB6/VRB7/V 1

234

CON6

+5

E

Backlight LCD

RS

E

RW

D6

D5

D7

SW1

SW-UP

SW2

SW-DOWN

R48470

R49470

+5

12

LED73mm Verde

R50

470RX_READY_VIDEO

DATOS_VIDEO

RSRW

D4

D5

D6

D7

D4

R531k

GN

D1

VD

D2

Vo3

RS4

R/W5

E6

D07

D18

D29

D310

D411

D512

D714

D613

BL + 15

BL - 16

LCD

+5

98 Diagrama circuital del microcontrolador encargado de la visualización local: Circuito dedicado a la visualización en una pantalla de cristal líquido de todas las variables que se están monitoreando, generando así una herramienta útil para el operario local. Dicho circuito consta principalmente de un microcontrolador de las características del microcontrolador principal y dos pulsadores que permiten navegar dentro de un menú contextual. En el desarrollo se realizó la profundización pertinente.

224

Esquema circuital de la red de MID400 para la detección ON/OFF de las fases de la Red Eléctrica Pública99

INPUT1

NC2

INPUT3

NC4

VCC 8

AUX 7

VOUT 6

GND 5

U8

AC1115V

R54

330k (1 W)

+5

R55470

MID 1 RED PUB

INPUT1

NC2

INPUT3

NC4

VCC 8

AUX 7

VOUT 6

GND 5

U9

AC2115V

R56

330k (1 W)

+5

R57470

MID 2 RED PUB

INPUT1

NC2

INPUT3

NC4

VCC 8

AUX 7

VOUT 6

GND 5

U10

AC3115V

R58

330k (1 W)

+5

R59470

MID 3 RED PUB

Neutro

Neutro

Neutro

Fase

Fase

Fase

LAS ENTRADAS AC1, AC2 Y AC3 SONSEÑALES DERIVADAS DE LA REDPUBLICA.

99Esquema circuital de la red de MID400 para la detección ON/OFF de las fases de la Red Eléctrica Pública: Se muestran los circuitos de los dispositivos que realizan la detección del estado de cada fase (ON/OFF) con respecto a las líneas de la red eléctrica pública.

225

Esquema circuital de la red de MID400 para la detección ON/OFF de las fases de la Planta Eléctrica100

INPUT1

NC2

INPUT3

NC4

VCC 8

AUX 7

VOUT 6

GND 5

U11

AC1115V

R60

330k (1 W)

+5

R61470

INPUT1

NC2

INPUT3

NC4

VCC 8

AUX 7

VOUT 6

GND 5

U12

AC2115V

R62

330k (1 W)

+5

R63330k (1 W)

INPUT1

NC2

INPUT3

NC4

VCC 8

AUX 7

VOUT 6

GND 5

U13

AC3115V

R64

330k (1 W)

+5

R65470

MID 1 PLANTA

MID 2 PLANTA

MID 3 PLANTA

Neutro

Neutro

Neutro

Fase

Fase

Fase

ESTAS ENTRADAS AC1, AC2 Y AC3 SONSEÑALES DERIVADAS DE CADA FASEPROVENIENTES DE LA PLANTAELECTRICA

100 Esquema circuital de la red de MID400 para la detección ON/OFF de las fases de la Planta Eléctrica: Se muestran los circuitos de los dispositivos que realizan la detección del estado de cada fase (ON/OFF) con respecto a las fases de la planta eléctrica.

226

Esquema circuital para adquisición de señales de la transferencia automática101

101 Esquema circuital para adquisición de señales de la transferencia automática: Se muestra el circuito de adecuación de señales para la adquisición de las señales digitales de la transferencia automática: contacto de red y contacto de planta eléctrica.

227

ANEXO D. Diagrama en bloques del microcontrolador PIC18F452

228

ANEXO E. Símbolos que pueden ser representados en el modulo LCD

229

ANEXO F. Instrucciones para el manejo del módulo LCD

230

ANEXO G. Diagrama en bloques del software del microcontrolador principal

INICIO

Configuración de Puertos

1. Configurar Interrupción por Recepción de Datos desde el PC en PIN Rx del MicroControlador.2. Configurar Interrupción por Timer 0 Cada 5 segundos.3. Configuración de Timer 1 cada 1.5 segundos.4. Configuración de la Interrupción Externa.

MID 400 fase A de Red Pública = “1”

Red Pública Fase A=True

SI

NO

Red Pública Fase A=False

MID 400 fase B de Red Pública = “1”

Red Pública Fase B=True

SI

NORed Pública Fase B=False

MID 400 fase C de Red Pública = “1”

Red Pública Fase C=True

SI

NORed Pública Fase

C=False

NO

1

MID 400 fase A de Planta Eléctrica = “1”

Planta Eléctrica Fase A=True

SI

NO

Planta Eléctrica Fase A=False

MID 400 fase B de Planta Eléctrica = “1”

Planta Eléctrica Fase B=True

SI

NOPlanta Eléctrica Fase B=False

MID 400 fase C de Planta Eléctrica = “1”

Planta Eléctrica Fase C=True

SI

NOPlanta Eléctrica Fase C=False

NO

1

2

2

231

Interrupción por Recepción de Datos (desde el PC en PIN Rx del MicroControlador).

El dato Recibido es

igual a 0

Ajusta el timer 0 a 15 segundos

SI

NO

El dato Recibido es

igual a 1

Ajusta el timer 0 a 30 segundos

SI

NO

SI

NO

El dato Recibido es

igual a 2

Ajusta el timer 0 a 1 Minuto

SI

NO

El dato Recibido es

igual a 3

Ajusta el timer 0 a 2 Minutos

SI

NO

El dato Recibido es

igual a 4


Sale de Interrupción por Recepción de Datos (desde el PC en PIN Rx del MicroControlador).

SI El dato Recibido es

igual a 5


SI

NO

El dato Recibido es

igual a 9

Reset General por SoftWare

El dato Recibido es

igual a 8

Se debe de poner ON la salida de

Relevo

SI

NO

El dato Recibido es

igual a 7

Se debe de poner OFF la salida de

Relevo

SI

NO

SI

NO

El dato Recibido es igual a “I”

Se debe de enviar la Trama de Potencias,

Ajusta :TX_Potencia = True

SI El dato Recibido es igual a “F”

Se termina el envió de Trama de Potencias y se

Cambia a la Trama General, Ajusta:

TX_Potencia=False

232

Interrupción de timer 0 cada N segundos

Verifica TX_Potencia

FALSE

TRUE

Verifica Si solo Una Fase Esta Activa

TX al PC la Letra “E”, que

corresponte a Error en la Configuración

NO

Envía Por el Puerto de Comunicaciones al PC la fase que se

encuentra Activa.

Envía Por el Puerto de Comunicaciones

al PC la variable:Potencia_Activa

Envía Por el Puerto de Comunicaciones

al PC la variable: Potencia_Aparente

Envía Por el Puerto de Comunicaciones al PC

la variable: Potencia_Reactiva

Retorna Inicio de Interrupción

Por Timer 0


Por Timer 0

SI

Envía Por el Puerto de Comunicaciones al

PC la variable:RP_Factor_Potencia

3

Inicia el Reloj que se usa para la

conversión de Energía a Potencia

233

Lee dirección 0x0A del ADE(1), Guarda el Dato en el registro AIRMS, envía este dato por el

puerto de Comunicaciones hacia el PC.

Lee dirección 0x0B del ADE(1), Guarda el Dato en el registro BIRMS, envía este dato por el


Lee dirección 0x0C del ADE(1), Guarda el Dato en el registro

CIRMS, envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia el

PC.

3

4

El ADE(1) es el usado para realizar las

mediciones a la Red Eléctrica Pública

Envía Versión de SoftWare por el puerto de Comunicaciones hacia el

PC.

Lee dirección 0x0F del ADE(1), Guarda el Dato en el registro

CVRMS, envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia el

PC.

Lee dirección 0x0E del ADE(1), Guarda el Dato en el registro

BVRMS, envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia el

PC.

Lee dirección 0x0D del ADE(1), Guarda el Dato en el registro

AVRMS, envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia el

PC.

234

Lee dirección 0x11 del ADE(1), Guarda el Dato en el registro TEMP,

envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia el PC.

Lee dirección 0x10 del ADE(1), Ajusta el registro LCYMODE a

00010010, Guarda el Dato en el registro FREQ, envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia

el PC.



el PC.



el PC.

5

4

Reporta el Datos del estado de cada fase (ON/OFF) de la Red Eléctrica

Pública, fase A,B y C, envía este dato por el puerto de Comunicaciones

hacia el PC.

Reporta el Datos del estado de cada fase (ON/OFF) de la Planta Eléctrica, fase A,B y C, envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia el

PC.

235

Lee dirección 0x0D del ADE(2), Guarda el Dato en el registro

AVRMS, envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia el

PC.

Lee dirección 0x0E del ADE(2), Guarda el Dato en el registro

BVRMS, envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia el

PC.

Lee dirección 0x0F del ADE(2), Guarda el Dato en el registro

CVRMS, envía este dato por el puerto de Comunicaciones hacia el

PC.

Esta medición se refiere al Voltaje entre

Neutro y Tierra

Lee dirección 0x0A del ADE(2), Guarda el Dato en el registro AIRMS, envía este dato por el


Lee dirección 0x0B del ADE(2), Guarda el Dato en el registro BIRMS, envía este dato por el


El ADE(2) es el usado para realizar las

mediciones a la UPS

5

Sale Interrupción de timer 0



el PC.



el PC.

236

Interrupción de Timer 1 cada 1.5 segundos.

Envía Versión de SoftWare por el puerto de Comunicaciones hacia el Microcontrolador encargado de el

visualizador de parámetros.

7

Verifica Estado del PIN:RX_READY_VIDEO

“1”

“0”

No se Pueden Enviar Datos porque el Microcontrolador

de Video esta Ocupado Atendiendo una

Interrupción de Mayor Prioridad


Por Timer 1

Envía el contenido del registro AIRMS (REP) por el puerto de

Comunicaciones hacia el Microcontrolador encargado de el


Envía el contenido del registro BIRMS (REP) por el puerto de



Envía el contenido del registro AVRMS (REP) por el puerto de



Envía el contenido del registro CIRMS (REP) por el puerto de



REP: Red Eléctrica Pública

237

7

Envía el contenido del registro BVRMS (REP) por el puerto de



Envía el contenido del registro CVRMS (REP) por el puerto de



Envía el contenido del registro FreQFA (REP) por el puerto de



Envía el contenido del registro FreQFB (REP) por el puerto de



Envía el contenido del registro FreQFC (REP) por el puerto de



Envía el contenido del registro TEMP por el puerto de



Envía el contenido del registro fase (ON/OFF) de la Red Eléctrica

Pública, fase A,B y C por el puerto de Comunicaciones hacia el

Microcontrolador encargado de el Visualizador de parámetros.

8

238

Envía el contenido del registro fase (ON/OFF) de la Planta Eléctrica,

fase A,B y C por el puerto de Comunicaciones hacia el

Microcontrolador encargado de el Visualizador de parámetros.

Envía el contenido del registro AIRMS (UPS) por el puerto de



Envía el contenido del registro BIRMS (UPS) por el puerto de



Envía el contenido del registro AVRMS (UPS) por el puerto de



Envía el contenido del registro BVRMS (UPS) por el puerto de



Envía el contenido del registro CVRMS (UPS) por el puerto de




Neutro y Tierra

8

9

239

Envía el contenido del registro FreQFA (UPS) por el puerto de



Envía el contenido del registro FreQFB (UPS) por el puerto de



Sale Interrupción de timer 1

9

240

Interrupción EXT. Esta Interrupción es generada por el ADE7758

Lee Registro STATUS (0x19h)

Este Registro Contiene la información de la fuente de Interrupción en el ADE7758

Primer Bit de Registro Status

es “1”

Estado de La Variable:FT_EA

Se ajusta el Tiempo de Interrupción al Reloj Global:

Tiempo_Inicio_EA=Tiempo_Acumulado

Se inicializa el Valor del Registro de Energia:RP_Energia_Activa

Se Cambia el Estado de

FT_EA=False

Se lee el Registro Rstatus (0x1A), para

levantar el PIN de IRQ del ADE7758

True

Vuelve a Esperar Interrupción

Este Proceso solo se ejecuta la Primera Vez, la función es

inicializar los registro que llevan el acumulado de la

energía

Indica que le Interrupción fue causada por Energía Activa

False

Se aumenta el Contador de

RP_Energia_Activa

Se realiza la conversión de RP_Energia_Activa

a Potencia_Activa




SI

10

241

Segundo Bit de Registro Status

es “1”

Estado de La Variable:FT_ER


Tiempo_Inicio_ER=Tiempo_Acumulado

Se inicializa el Valor del Registro de Energia:

RP_Energia_Reactiva


FT_ER=False



True




energía

Indica que le Interrupción fue causada por Energía

Reactiva

False


RP_Energia_Reactiva

Se realiza la conversión de

RP_Energia_Reactiva a Potencia_Reactiva




SI

10

11

242

Terce Bit de Registro Status

es “1”

Estado de La Variable:FT_EAP


Tiempo_Inicio_EAP=Tiempo_Acumulado

Se inicializa el Valor del Registro de Energia:

RP_Energia_Aparente


FT_EAP=False



True




energía

Indica que le Interrupción fue causada por Energía Aparente

False


RP_Energia_Aparente

Se realiza la conversión de

RP_Energia_Aparente a Potencia_Aparente

SI

11

Se Realiza el Calculo de Factor de Potencia y se Almacena en el

Registro:RP_Factor_Potencia




243

ANEXO H. Diagrama en bloques del software del microcontrolador de video

INICIO

Configuración de Puertos

1. Configurar Interrupción por Recepción de Datos desde el MicroControlador Principal.

MicroControlador Encargado del Visualizador de

Parametros

Pulsador “Arriba”

presionado

Ejecuta rutinas de Antirrebote y Pone

en “0” El PIN RX_READY_VIDEO

Se dejo de presionar del

Pulsador

NO

Lee todos los registros de

parámetros y los envía al

Visualizador

SI

Define Contador N=0

Incrementa el Contador N en 1 y

Visualiza la variable correspondiente a la tabla que contiene

todos los parámetros.

Pone en “1” El PIN RX_READY_VIDEO

SI

Pulsador “ABAJO”

presionado

Ejecuta rutinas de Antirrebote y Pone en

“0” El PIN RX_READY_VIDEO

Se dejo de presionar del

Pulsador

Decrementa el Contador N en 1 y

Visualiza la variable correspondiente a la tabla que contiene

todos los parámetros.

Pone en “0” El PIN RX_READY_VIDEO

SINO

SI

NO

NO

1

1

244

Sobrescribe el valor del registro BIRMS (REP)

Sobrescribe el valor del registro

CIRMS (REP)

Sobrescribe el valor del registro AVRMS (REP)

Sobrescribe el valor del registro BVRMS (REP)

Sobrescribe el valor del registro CVRMS (REP)

Sobrescribe el valor del registro FreQFA (REP)

Sobrescribe el valor del registro FreQFB (REP)

Sobrescribe el valor del registro FreQFC (REP)


TEMP

2


AIRMS (REP)

Interrupción por Recepción de Datos (desde el MicroControlador Principal).

245

Sobrescribe el valor del registro fase (ON/OFF) de la Planta Eléctrica,

fase A,B y C

2


AIRMS (UPS)

Sobrescribe el valor del registro BIRMS (UPS) )

Sobrescribe el valor del registro AVRMS (UPS)

Sobrescribe el valor del registro BVRMS (UPS)

Sobrescribe el valor del registro CVRMS (UPS)

Sobrescribe el valor del registro FreQFA (UPS)

Sobrescribe el valor del registro FreQFB (UPS)


Neutro y Tierra

Sale de Interrupción por Recepción de Datos (desde el MicroControlador Principal).

Sobrescribe el valor del registro fase (ON/OFF)

de la Red Eléctrica Pública, fase A,B y C

246

ANEXO I. Diagrama en bloques del software del sistema de almacenamiento de datos

Inicio

Solicitud de Datos de Usuario

Verificación de Usuario Administrador y PassWord

NO

Programa Iniciado por Primera Vez?

SI

Configuración de Nodo nuevo

Datos del nodo: IP, Nombre, Dirección, etc. Almacenamieto

en la DB.

1. Activación de los COM para establecer Comunicación con el Microcontrolador.2. Creación de las Bases de Datos para el almacenamiento de las variables alarmadas.

SIInicialización de los Puertos de Comunicación

Recepción e identificación de

los datos enviados desde el

Microcontrolador.

NO

Alguna Variable esta fuera del rango

establecido como Normal?

Almacenamiento en la DB de Alarmas del

Nodo.

1

1

Visualización de las variables

de la infraestructura Eléctrica de un

Nodo.

2

2

SI

NOVerificación de

Conectividad del Nodo

NO

SI

Nodo On-Line

Genere Alarma Visual

Verificación de Conectividad con el

Nodo Remoto

NO

SI

247

Procesos que esta ejecutando el SOFTWARE constantemente

Configuracion de Tiempo de

Reporte

Tiempo 15 Segundos

Envia al MicroControlador

“0”

Rx Confirmación

Ventada Confirmación OK

Ventana Confirmación de

Falla

NO

SI

END

Selecciona El Tiempo 3

3

4 NO

SI

Tiempo 30 Segundos


“1”

Rx Confirmación

Ventana de Confirmación OK


Falla

NO

SI

END

4

5 NO

SI

Tiempo 1 Minuto


“2”

Rx Confirmación



Falla

NO

SI

END

5

6 NO

SI

248

Tiempo 2 Minutos


“3”

Rx Confirmación



Falla

NO

SI

END

6

7 NO

SI

Tiempo 5 Minutos


“4”

Rx Confirmación



Falla

NO

SI

END

7

8 NO

SI

Tiempo 10 Minutos


“5”

Rx Confirmación



Falla

NO

SI

END

8

3 NO

SI

249

Reset del Sistema Remoto

Selecciona Boton de

Reset en la Inteface Grafica

Envía “9” al Microcontrolad

or

Rx Confirmación


Ventana Confirmación

de Falla

NO

SI

ON-OFF Salida de Relevo

ON

Envia al MicroControla

dor “8”

Rx Confirmación



Falla

NO

SI

Selecciona ON-OFF

en la interface grafica

NO

SI

Envia al MicroControla

dor “7”

Rx Confirmación

Ventana de Confirmación

OK

Ventana Confirmación

de Falla

9

9

9

NO

SI

250

1. Configuración del tiempo en el cual el Microcontrolador se reporta al sistema de almacenamiento.

2. Verificación de Conectividad con el nodo remoto.

3. Generación de reportes de todos los nodos configurados, según los siguientes criterios:- Bajo un rango de Fecha seleccionado se analiza una variable.- Por identificador de variable, se verifica el estado de todas las otras variables cuando una de ellas está alarmada.- Información general de un nodo, se muestra el resumen de alarmas en general.

Internamente el software está realizando las siguientes

tareas:

251

ANEXO J. Condiciones de montaje de subsistema de adquisición de señales en nodo Paraíso

Como se mencionó en el desarrollo, el proyecto se diseñó para ser implementado bajo las condiciones de los nodos de la empresa Telefónica Colombia, por lo tanto se realizó el estudio para la realización del montaje en el Nodo Paraíso102 de la empresa. En dicho estudio se realizó la verificación de las condiciones de los diferentes elementos y dispositivos que se ven involucrados en el montaje del subsistema de adquisición de señales, que es el subsistema que estaría principalmente involucrado en el sitio remoto. A continuación se muestran algunas fotografías que describen claramente los componentes fundamentales que se involucran en el proyecto:

102 Nodo ubicado en el barrio Paraíso Calle 44 BIS No.2-45 Este, Bogotá.

Foto 12: FOTO DEL TABLERO DE LA RED ELÉCTRICA PÚBLICA. Por este tablero llegan las tres fases de la red eléctrica pública al cuarto de equipos. Por la tubería que se observa en la parte superior, van las tres fases y el neutro hasta el tablero de la transferencia automática.

252

Foto 13: FOTO DELTABLERO DE LATRANSFERENCIA AUTOMÁTICA Y TABLEROS DE DISTRIBUCIÓN. En el tablero de la transferencia automática se concentran todas las líneas de alimentación, como se observa en la foto 2 llegan las líneas de la red eléctrica pública y de la planta eléctrica; de allí sale la alimentación al tablero de distribución donde se reparten las cargas de los circuitos.

Transferencia automática

Líneas de alimentación de la red eléctrica pública

Líneas de alimentación de la planta eléctrica

Tablero de distribución de circuitos

Contacto seco de red Contacto seco de planta eléctrica

253

Foto 14: FOTO TABLERO DELA TRANSFERENCIAAUTOMÁTICA. En esta foto se observan másclaramente los contactos secosde red y de planta eléctrica, loscuales reciben señales decontrol de los contactos secosde la transferencia automática(parte superior) a través delcableado de color rojo que seobserva en la parte posterior. En los contactos que seobservan a la derecha de la fotose realiza la unión de las líneasde red eléctrica pública y deplanta eléctrica para ser llevadosal tablero de distribución decircuitos.

Foto 15: FOTO DEL CONTROL DE LATRANSFERENCIA AUTOMÁTICA. Desde éste módulo electrónico de la transferencia automática se realiza todo el control de los contactos secos que se observan en la Foto 4 y que se encargan de dejar la carga alimentada eléctricamente ya sea de la red eléctrica pública o de la planta eléctrica, según corresponda.

Foto 16: VISTA FRONTAL DE LA UPS MERLIN GERIN (MGE) DE 8 KVA. Esta es la UPS que se tiene en el nodo, a la cual se le pueden medir varios parámetros como el voltaje y la corriente RMS en cada fase de salida y el voltaje DC del banco de baterías.

254

Foto 17: VISTA POSTERIOR DE LA UPS MERLIN GERIN (MGE) DE 8 KVA. Se observan las conexiones que van por la canaleta hacia los tableros de distribución. Se observan dos grupos de cables encauchetados, los cuales son:

El que trae las señales de entrada que vienen del contacto seco que agrupa la conexión de líneas de la red eléctrica pública y planta eléctrica.

El que lleva las líneas de salida hacia el tablero de distribución de circuitos regulados.

Foto 18: VISTA DEL TABLERO POSTERIOR DE CONTACTOS SECOS DE LA UPS MERLIN GERIN (MGE) DE 8 KVA. Se observa en la foto la distribución de los contactos secos que trae la UPS. En el círculo rojo se observan los dos contactos secos de donde se puede extraer la información del Voltaje DC del banco de baterías de la UPS. Es de gran ayuda la obtención de éste parámetro desde allí, ya que para acceder a las baterías físicamente se tendría que destapar la máquina.

255

Batería de arranque de la planta eléctrica

Tubería por donde van las líneas de energía de la planta eléctrica

256

Foto 19: FOTO DE LA PLANTA ELÉCTRICA LISTER PETER DE 18 KVA Dicha Planta eléctrica es la que presta el soporte energético al nodo en caso de ausencia de la red eléctrica pública. En el prototipo que se está desarrollando, se tiene la posibilidad de verificar el estado ON/OFF de cada fase de la planta, tal como se indicó en el desarrollo del proyecto y el voltaje DC de la batería de arranque. Se debe tener en cuenta para la implementación del hardware en el nodo, que dicha planta se encuentra retirada (por normas de seguridad) del cuarto de equipos.

Cargador de labatería

Foto 20: BATERÍA DE ARRANQUE DE LA PLANTA ELÉCTRICA LISTER PETER DE 18 KVA Uno de los parámetros que se contempló en el prototipo, es el voltaje DC de dicha batería. Para un montaje físico en el nodo se pueden llevar los cables para dicha señal por una de las tuberías especificadas que van hasta la transferencia automática.

Foto 21: TUBERÍA PARA CABLEADO ELÉCTRICO. Dicha tubería lleva los cables desde la planta eléctrica hasta la transferencia automática. Se observa en la foto la entrada al cuarto de equipos a través de la pared.

257

Foto 22: TUBERÍA PARACABLEADO ELÉCTRICO. Camino de la tubería por dondese pueden transportar lasseñales de la batería dearranque de la planta eléctrica.

ANEXO K. Diagrama del circuito impreso

258

ANEXO L. Condiciones de calida de Energía para algunos tipos de equipos eléctricos.

259

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCION.....................................................................................................1 1. MARCO TEÓRICO ..............................................................................................5

1.1. IP CONTROL ........................................................................................................... 5 1.1.1. Evolución de las comunicaciones. ....................................................................... 6

1.2. COMUNICACIONES ............................................................................................... 7 1.2.1. Red de Datos ........................................................................................................ 7 1.2.2. Clasificación de las Redes.................................................................................... 7

1.2.2.1. Clasificación por Tecnología de Transmisión....................................... 7 1.2.2.2. Clasificación por Escala........................................................................... 8

1.2.2.2.1. Red LAN.............................................................................................. 8 1.2.2.2.2. Red MAN............................................................................................. 9 1.2.2.2.3. Red WAN ............................................................................................ 9

1.2.3. Modelos de Referencia......................................................................................... 9 1.2.3.1. El Modelo OSI ........................................................................................... 9

1.2.3.1.1. Capa Física......................................................................................... 9 1.2.3.1.2. Capa de Enlace ............................................................................... 10 1.2.3.1.3. Capa de Red .................................................................................... 10 1.2.3.1.4. Capa de Transporte ........................................................................ 10 1.2.3.1.5. Capa de Sesión ............................................................................... 11 1.2.3.1.6. Capa de Presentación .................................................................... 11 1.2.3.1.7. Capa de Aplicación ......................................................................... 11

1.2.3.2. El Modelo TCP/IP ................................................................................... 12 1.2.3.2.1. Capa Host a Red ............................................................................. 12 1.2.3.2.2. Capa de Red .................................................................................... 12 1.2.3.2.3. Capa de Transporte ........................................................................ 12 1.2.3.2.4. Capa de Aplicación ......................................................................... 13

1.2.4. CONCEPTOS BASICOS .................................................................................. 13 1.2.4.1. Protocolo de comunicación ................................................................... 13 1.2.4.2. Interfaz ...................................................................................................... 13 1.2.4.3. Servicios ................................................................................................... 13 1.2.4.4. Entidades ................................................................................................. 13 1.2.4.5. Servicios orientados a conexión........................................................... 14 1.2.4.6. Servicios no orientados a conexión ..................................................... 14 1.2.4.7. Servicio confiable .................................................................................... 14 1.2.4.8. Servicio no confiable .............................................................................. 14

1.2.5. Protocolos LAN ................................................................................................. 15 1.2.5.1. Topologías ............................................................................................... 16 1.2.5.2. El Medio Físico ........................................................................................ 16

1.2.5.2.1. Cable Coaxial ................................................................................... 16 1.2.5.2.2. Par Trenzado.................................................................................... 17

260

1.2.5.2.3. Fibra Óptica ...................................................................................... 18 1.2.5.2.4. Enlaces de Radio............................................................................. 19 1.2.5.2.5. Enlaces de Microondas .................................................................. 19 1.2.5.2.6. Enlaces Satelitales .......................................................................... 20

1.2.6. Dispositivos LAN .............................................................................................. 20 1.2.6.1. Repetidores.............................................................................................. 20 1.2.6.2. Hubs .......................................................................................................... 21 1.2.6.3. Bridges...................................................................................................... 21

1.2.7. Protocolo IP ....................................................................................................... 22 1.2.7.1. Fragmentación......................................................................................... 25 1.2.7.2. Direcciones IP ......................................................................................... 28

1.2.8. Tecnologías WAN.............................................................................................. 30 1.2.8.1. Enlaces Punto-a-Punto .......................................................................... 31 1.2.8.2. Conmutación de Circuitos y de Paquetes........................................... 31 1.2.8.3. Circuitos Virtuales WAN......................................................................... 32 1.2.8.4. Dispositivos WAN ................................................................................... 33

1.2.8.4.1. Switch WAN...................................................................................... 33 1.2.8.4.2. RAS.................................................................................................... 33 1.2.8.4.3. Módem............................................................................................... 34 1.2.8.4.4. CSU/DSU .......................................................................................... 34 1.2.8.4.5. Adaptador ISDN............................................................................... 34

1.2.8.5. Encapsulado y Tunneling ...................................................................... 34 1.2.9. Nivel de Transporte............................................................................................ 35

1.2.9.1. Direccionamiento .................................................................................... 36 1.2.9.2. Elementos de Protocolos de Transporte............................................. 37 1.2.9.3. Protocolo TCP ......................................................................................... 38

1.2.9.3.1. Puertos TCP ..................................................................................... 40 1.2.9.3.2. Encabezado TCP............................................................................. 41

1.2.10. Transmisión serial ............................................................................................ 42 1.2.10.1. Transmisión serie/paralelo .................................................................. 42 1.2.10.2. Transmisión Síncrona/Asíncrona ....................................................... 43 1.2.10.3. RS232 ..................................................................................................... 44

1.2.10.3.1. Aspectos mecánicos .................................................................... 45 1.2.10.3.2. Aspectos eléctricos ....................................................................... 46 1.2.10.3.3. Aspectos funcionales .................................................................... 46

1.2.10.3.3.1. Primer bloque: Establecimiento de conexión .................... 47 1.2.10.3.3.2. Segundo bloque: Control de flujo ........................................ 48 1.2.10.3.3.3. Tercer Bloque: Transmisión/recepción de datos .............. 49

1.3. INTERFAZ DE CONVERSIÓN SERIAL A ETHERNET .................................. 49 1.3.1. Dispositivo Lantronix ........................................................................................ 50

1.3.1.1. Características del dispositivo Lantronix............................................. 51 1.3.1.1.1. Interfase de la tarjeta de circuito impreso (PCB Interface) ....... 52 1.3.1.1.2. Interfase Ethernet ............................................................................ 52 1.3.1.1.3. Puertos COM virtuales................................................................... 53

261

1.4. CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA (PQ- POWER QUALITY) ............ 54 1.4.1. Los 9 mayores problemas de la energía: ............................................................ 54 1.4.2. La Pirámide de la Calidad de la Energía............................................................ 56

1.4.2.1. Etapas de la pirámide............................................................................. 57 1.4.2.1.1. Etapa 1: Aterrizado (Grounding) ................................................... 57 1.4.2.1.2. Etapa 2: SPD.................................................................................... 57 1.4.2.1.3. Etapa 3: Regulación de tensión (Sags o sobretensiones)........ 59 1.4.2.1.4. Etapa 4: Armónicas ......................................................................... 59 1.4.2.1.5. Etapa 5: UPS.................................................................................... 59 1.4.2.1.6. Etapa 6: Planta Eléctrica de Emergencia .................................... 60

1.5. CIRCUITOS TRIFASICOS ................................................................................... 62 1.5.1. Voltajes trifásicos balanceados .......................................................................... 63 1.5.2. Voltajes de fase .................................................................................................. 64 1.5.3. Secuencia de fase positiva.................................................................................. 64 1.5.4. Secuencia de fase negativa................................................................................. 65 1.5.5. Neutro................................................................................................................. 65 1.5.6. Partes de un circuito trifásico............................................................................. 65 1.5.7. Potencia activa ................................................................................................... 67 1.5.8. Potencia reactiva ................................................................................................ 67 1.5.9. Potencia aparente ............................................................................................... 68 1.5.10. Triángulo de potencias ..................................................................................... 68 1.5.11. Factor de Potencia ............................................................................................ 68

1.6. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE ........................................................ 71 1.6.1. Tipos de construcción ........................................................................................ 71 1.6.2. Circuito equivalente ........................................................................................... 72

1.7. MICROCONTROLADORES ................................................................................ 72 1.7.1. Diferencia entre microprocesador y microcontrolador ...................................... 73 1.7.2. Requisitos de aplicación..................................................................................... 75

1.7.2.1. Procesamiento de datos ........................................................................ 75 1.7.2.2. Entrada Salida ......................................................................................... 75 1.7.2.3. Consumo .................................................................................................. 75 1.7.2.4. Memoria.................................................................................................... 75 1.7.2.5. Ancho de palabra .................................................................................... 75 1.7.2.6. Diseño de la placa .................................................................................. 76

1.7.3. Arquitectura básica............................................................................................. 76 1.7.3.1. El procesador o UCP.............................................................................. 76 1.7.3.2. Memoria.................................................................................................... 77 1.7.3.3. Puertas de Entrada y Salida ................................................................. 79 1.7.3.4. Reloj principal .......................................................................................... 80 1.7.3.5. Recursos especiales .............................................................................. 80 1.7.3.6. Temporizadores o "Timers" ................................................................... 81 1.7.3.7. Perro guardián o "Watchdog"................................................................ 81 1.7.3.8. Protección ante fallo de alimentación o "Brownout".......................... 81 1.7.3.9. Estado de reposo ó de bajo consumo ................................................. 81

262

1.7.3.10. Conversor A/D (CAD)........................................................................... 82 1.7.3.11. Conversor D/A (CDA)........................................................................... 82 1.7.3.12. Comparador analógico......................................................................... 82 1.7.3.13. Modulador de anchura de impulsos o PWM .................................... 82 1.7.3.14. Puertos de E/S digitales ...................................................................... 82 1.7.3.15. Puertos de comunicación .................................................................... 82

1.7.4. Herramientas para desarrollo de aplicaciones.................................................... 83 1.7.4.1. Desarrollo del software .......................................................................... 83

1.7.4.1.1. Ensamblador .................................................................................... 83 1.7.4.1.2. Compilador ....................................................................................... 83 1.7.4.1.3. Depuración ....................................................................................... 84 1.7.4.1.4. Simulador .......................................................................................... 84 1.7.4.1.5. Placas de evaluación ...................................................................... 84 1.7.4.1.6. Emuladores en circuito ................................................................... 84

1.7.4.2. Entorno de desarrollo MPLAB .............................................................. 84 1.7.4.2.1. Funciones de MPLAB ..................................................................... 85

1.8. LENGUAJE DE PROGRAMACION VISUAL BASIC ....................................... 85 1.8.1. Características de Visual Basic .......................................................................... 86 1.8.2. Partes del entorno de Visual Basic..................................................................... 88 1.8.3. Términos ............................................................................................................ 89 1.8.4. Variables ............................................................................................................ 90

2. ESPECIFICACIONES........................................................................................91 2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL .................................................................................. 91

2.1.1. Adquisición de señales externas y procesamiento de datos ............................... 91 2.1.2. Transporte de datos ............................................................................................ 91 2.1.3. Análisis de datos y generación de alarmas......................................................... 92

2.2. DESCRIPCIÓN DEL DIAGRAMA EN BLOQUES............................................ 92 2.3. VARIABLES MONITOREADAS .......................................................................... 98 2.4. CONDICIONES DE TRABAJO Y ESPECIFICACIONES DE MEDIDAS ..... 99 2.5. ENTRADAS Y SALIDAS DEL SISTEMA......................................................... 100

3. DESARROLLO................................................................................................102 3.1. SUBSISTEMA DE ADQUISICIÓN DE SEÑALES.......................................... 102

3.1.1. Sensores y transductores .................................................................................. 102 3.1.1.1. Voltaje ..................................................................................................... 102 3.1.1.2. Corriente................................................................................................. 103 3.1.1.3. Contactos secos.................................................................................... 103 3.1.1.4. Frecuencia ............................................................................................. 103 3.1.1.5. Factor de potencia ................................................................................ 104

3.1.2. Estrategias de medición.................................................................................... 104 3.1.2.1. Medición de voltaje ............................................................................... 104

3.1.2.1.1. MID400 ............................................................................................ 104 3.1.2.1.2. ADE7758......................................................................................... 107 3.1.2.1.3. Medición de voltajes DC usando el microcontrolador principal............................................................................................................................ 110

263

3.1.2.2. Medición de corriente ........................................................................... 111 3.1.2.3. Medición del estado de la transferencia automática ....................... 114 3.1.2.4. Medición de frecuencia ........................................................................ 116 3.1.2.5. Medición de temperatura ..................................................................... 117 3.1.2.6. Medición de Energía Aparente, Energía Reactiva y Energía Activa................................................................................................................................ 117

3.1.2.6.1. Cálculo de Energía Activa ............................................................ 118 3.1.2.6.2. Cálculo de Energía Reactiva ....................................................... 121 3.1.2.6.3. Cálculo de Energía Aparente....................................................... 122 3.1.2.6.4. Interrupciones utilizadas para la medición de Energía en el dispositivo ADE7758 ....................................................................................... 124

3.1.2.7. Conversión de medidas de energía a potencia ............................... 126 3.1.3. Microcontrolador encargado del procesamiento de datos y transmisión serial 127

3.1.3.1. Puertos ................................................................................................... 128 3.1.4. Microcontrolador encargado de la visualización local..................................... 130

3.1.4.1. Puertos ................................................................................................... 131 3.1.4.2. Características adicionales del microcontrolador PIC18F452....... 133

3.1.4.2.1. Reloj ................................................................................................. 133 3.1.4.2.2. Puerto Serial................................................................................... 133 3.1.4.2.3. Memoria EEPROM ........................................................................ 134 3.1.4.2.4. Memoria RAM ................................................................................ 134 3.1.4.2.5 Memoria ROM ................................................................................. 136

3.1.5. Interfaz serial del dispositivo ADE7758.......................................................... 139 3.1.5.1. Proceso de escritura serial .................................................................. 140 3.1.5.2. Proceso de lectura serial ..................................................................... 141

3.1.6. Visualizador de cristal líquido (LCD).............................................................. 142 3.1.7. Formato de las tramas de comunicación .......................................................... 143

3.1.7.1. Trama principal entre subsistemas .................................................... 143 3.1.7.2. Trama de información de potencias................................................... 145 3.1.7.3. Trama de comunicación entre microcontroladores ......................... 147

3.1.8. Descripción general de los programas de los microcontroladores................... 147 3.1.8.1. Microcontrolador principal ................................................................... 147

3.1.8.1.1. Proceso de inicialización .............................................................. 148 3.1.8.1.2. Ciclo infinito .................................................................................... 150 3.1.8.1.3. Interrupción por Timer 0 ............................................................... 150 3.1.8.1.4. Interrupción por Timer 1 ............................................................... 151 3.1.8.1.5. Interrupción por recepción de datos ........................................... 152 3.1.8.1.6. Interrupción externa (ADE7758) ................................................. 153

3.1.8.2. Microcontrolador de video ................................................................... 153 3.1.8.2.1. Proceso de inicialización .............................................................. 154 3.1.8.2.2. Ciclo principal ................................................................................. 155 3.1.8.2.3. Interrupción por recepción de datos ........................................... 156

3.2. SUBSISTEMA DE COMUNICACIÓN............................................................... 158 3.3. SUBSISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE DATOS ................................... 162

264

3.3.1. Base de datos.................................................................................................... 164 3.3.2. Tablas ............................................................................................................... 164

3.3.2.1. Tabla: USUARIOS ................................................................................ 165 3.3.2.2. Tabla: NODOS ...................................................................................... 165 3.3.2.3. Tabla: PRINCIPAL_COM (Número de puerto creado) ................... 166 3.3.2.4. Tabla: DETALLE_COM (Número de puerto creado) ...................... 167

3.3.3. Interface gráfica ............................................................................................... 168 3.3.3.1. Formulario de inicio .............................................................................. 168 3.3.3.2. Formulario de diagrama de nodos ..................................................... 169 3.3.3.3. Formulario de infraestructura eléctrica por nodo ............................. 175 3.3.3.4. Formulario de reportes......................................................................... 181

3.3.4. Descripción general del software del subsistema de almacenamiento de datos.................................................................................................................................... 183

3.3.4.1. Proceso de Inicialización ..................................................................... 184 3.3.4.2. Test de conectividad............................................................................. 185 3.3.4.3. Recepción de datos .............................................................................. 186

3.3.4.3.1. Análisis de trama recibida ............................................................ 187 3.3.4.4. Transmisión de datos ........................................................................... 188 3.3.4.5. Generación de alarmas........................................................................ 188

3.3.4.5.1. Almacenamiento de variables en Base de datos ..................... 189 3.3.4.6. Rango de alarmas................................................................................. 190

3.4. MONTAJE FÍSICO .............................................................................................. 192 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS.........................................................................201

4.1. Presupuesto ......................................................................................................... 210 5. CONCLUSIONES ............................................................................................213

265

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Esquema Eléctrico de un Nodo de la empresa Telefónica Colombia S.A. ..2 Figura 2: Ejemplo de Clasificación de Redes por tecnología de transmisión..............8 Figura 3: Comparación entre los Modelos OSI y TCP/IP ..........................................12 Figura 4: Relación Entre el Modelo OSI y los Protocolos LAN..................................15 Figura 5: Topologías Típicas de una red LAN. a) Bus b) Anillo c) Estrella d) Árbol..16 Figura 6: Cable Coaxial .............................................................................................16 Figura 7: Cable Par Trenzado ...................................................................................17 Figura 8: Fibra Óptica................................................................................................18 Figura 9: Encabezado del Paquete IP.......................................................................22 Figura 10: Formato de las Direcciones IP .................................................................28 Figura 11: Tecnologías WAN y Su relación con las Capas OSI................................31 Figura 12: Esquema de Enlace Punto a Punto WAN................................................31 Figura 13: Conexión WAN de Circuitos Conmutados ...............................................32 Figura 14: Conexión WAN de Paquetes Conmutados ..............................................32 Figura 15: Switches WAN Interconectando Routers .................................................33 Figura 16: RAS conectando múltiples clientes a una WAN.......................................34 Figura 17: Encabezado de un Mensaje TCP.............................................................41 Figura 18: Problema en la identificación de distintos símbolos.................................44 Figura 19: Señales físicas de conector DB-25 ..........................................................45 Figura 20: Diagrama de conectores estándares .......................................................46 Figura 21: Esquema de señales utilizadas entre equipos DCE y DTE .....................47 Figura 22: Componentes principales del dispositivo Xport........................................52 Figura 23: Diagrama en bloques del dispositivo Xport ..............................................53 Figura 24: Potencia en sistema monofásico .............................................................63 Figura 25: Potencia en sistema trifásico....................................................................63 Figura 26: Voltajes de fase en circuito trifásico.........................................................64 Figura 27: Partes de circuito trifásicoEn la Figura 28 se ilustran las impedancias de

un circuito trifásico:............................................................................................65 En la Figura 28 se ilustran las impedancias de un circuito trifásico: .........................66 Figura 28: Impedancias de circuito trifásico ..............................................................66 Figura 29: Mediciones en circuito trifásico ................................................................67 Figura 30: Triangulo de potencias.............................................................................68 Figura 31: Circuito equivalente del transformador de corriente.................................72 Figura 32: Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador ...........74 Figura 33: El microcontrolador es un sistema cerrado..............................................74 Figura 34: Diagrama de arquitectura Harvard ...........................................................76 Figura 35: Diagrama en bloques del sistema de monitoreo .....................................92 Figura 36: Diagrama del subsistema de adquisición de señales ..............................93 Figura 37: Diagrama del subsistema de comunicación.............................................95 Figura 38: Diagrama del subsistema de almacenamiento de datos..........................97

266

Figura 39: Diagrama de las entradas y salidas del sistema....................................101 Figura 40. Monitoreo de voltajes de entrada. Estado ON/OFF ..............................105 Figura 41: Empaquetado físico y circuito equivalente del dispositivo MID400........105 Figura 42: Implementación de circuito externo del MID400 ....................................106 Figura 43: Relación entre señal de entrada y señal de salida en el MID400 ..........107 Figura 44: Procesamiento de señal en el ADE7758 para medición de Voltaje RMS

(fase A) ............................................................................................................108 Figura 45: Circuito atenuador de Voltaje en el ADE7758........................................109 Figura 46: Circuito externo para adecuación de señal del voltaje DC de la batería

Planta Eléctrica, a la entrada del ADC del microcontrolador principal ............110 Figura 47: Circuito externo para adecuación de señal del voltaje DC del banco de

baterías de la UPS, a la entrada del ADC del microcontrolador principal .......110 Figura 48: Procesamiento de la señal de corriente RMS en el dispositivo ADE7758

(Fase A)...........................................................................................................113 Figura 49: Circuito externo para procesamiento de corriente en el ADE7758 ........113 Figura 50: Diagrama de ubicación de contactos secos auxiliares para verificar

estado de contactos de red y de planta eléctrica ............................................115 Figura 51: Configuración de los bits 0 y 1 del registro MMODE..............................116 Tabla 52: Error en el registro de temperatura de acuerdo a variaciones en la fuente

de alimentación ...............................................................................................117 Figura 53: Triángulo de potencias...........................................................................118 Figura 54: Diagrama de bloques del Circuito Integrado ADE7758..........................118 Figura 55: Procesamiento de acumulación de Energía Activa en dispositivo

ADE7758 .........................................................................................................119 Figura 56: Procesamiento del dispositivo ADE7758 en el proceso de acumulación de

Energía Reactiva .............................................................................................122 Figura 57: Procesamiento de acumulación de Energía Aparente en dispositivo

ADE7758 .........................................................................................................123 Figura 58: Proceso de interrupciones del ADE7758 ...............................................124 Figura 59: Diagrama de tiempos del ADE7758.......................................................125 Figura 60: Generación de nuevos orígenes para los tiempos de acumulación de

Energías ..........................................................................................................126 Figura 61: Esquemático del microcontrolador principal del subsistema de adquisición

de señales .......................................................................................................128 Figura 62: Esquemático del microcontrolador de video ..........................................131 Figura 63: Configuración del circuito Oscilador a 20 MHz ......................................133 Figura 64: Mapa de memoria del microcontrolador PIC18F452..............................135 Figura 65: Pantalla de proceso de compilación en microcontrolador principal .......136 Figura 66: Pantalla de proceso de compilación en microcontrolador principal .......137 Figura 67: Mapa de memoria de programa para el microcontrolador PIC18F452 ..138 Figura 68: Diagrama del ADE7758 con los pines de transmisión serial..................139 Figura 69: Secuencia de lectura en el dispositivo ADE7758 utilizando la interface

serial ................................................................................................................140 Figura 70: Secuencia de escritura en el dispositivo ADE7758 utilizando la interface

serial ................................................................................................................140 Figura 71: Diagrama de tiempos del proceso de escritura serial en el ADE7758 ...141 Figura 72: Diagrama de tiempos del proceso de lectura serial en el ADE7758 ......141 Figura 73: Conexión entre el microcontrolador de video y el visualizador de cristal

líquido ..............................................................................................................143

267

Figura 74: Esquema de trama principal de comunicaciones...................................144 Figura 75: Esquema de trama de información de potencias...................................145 Figura 76: Trama de error .......................................................................................146 Figura 77: Formato de la trama de comunicación entre microcontroladores ..........147 Figura 78: Diagrama de bloques general del software del microcontrolador principal

.........................................................................................................................148 Figura 79: Configuración del puerto A.....................................................................148 Figura 80: Configuración de pines ADC y reinicio de microcontrolador de video ...149 Figura 81: Verificación de último estado de relevo..................................................149 Figura 82: Configuración de timers en el microcontrolador principal ......................149 Figura 83: Configuración inicial del ADE7758 a través del microcontrolador principal

.........................................................................................................................150 Figura 84: Instrucción para ejecución del ciclo infinito en el microcontrolador principal

.........................................................................................................................150 Figura 85: Instrucciones de ejecución del Timer 0 ..................................................151 Figura 86: Comando de ejecución del Timer 1........................................................151 Figura 87: Función Tx_Data_Video.........................................................................152 Figura 88: Diagrama en bloques del software del microcontrolador de video.........154 Figura 89: Inicialización de puertos en el microcontrolador de video......................154 Figura 90: Habilitación de la interrupción de datos en el proceso de inicialización del

microcontrolador principal ...............................................................................154 Figura 91: Función del ciclo principal del microcontrolador de video ......................155 Figura 92: Función de PANTALLA del microcontrolador de video ..........................156 Figura 93: Interrupción por recepción de datos en el microcontrolador de video....157 Figura 94: Función GUARDAR del microcontrolador de video ...............................157 Figura 95: Esquemas con múltiples nodos..............................................................160 Figura 96: Esquemas de enrutadores con conexión serial back to back ................160 Figura 97: Esquemas conexión del sistema dentro de una red de área local.........161 Figura 98: Interfaz gráfica desarrollada como prototipo de pruebas .......................163 Figura 99: Pantalla inicial de la Base de datos........................................................164 Figura 100: Tabla de usuarios administradores ......................................................165 Figura 101: Tabla de Nodos....................................................................................165 Figura 102: Tabla PRINCIPAL_COM(Número de puerto creado)...........................166 Figura 103: Tabla DETALLE_COM(Número de puerto creado)..............................167 Figura 104: Listado de usuarios registrados ...........................................................168 Figura 105: Selección de usuario que desea acceder al sistema ...........................169 Figura 106: Validación de password inválido ..........................................................169 Figura 107: Formulario de diagrama de nodos .......................................................170 Figura 108: Opción para modificar los usuarios administradores ...........................171 Figura 109: Formulario para ingresar o eliminar usuarios administradores ............171 Figura 110: Ejemplo para ingresar un administrador al sistema .............................172 Figura 111: Opción para eliminar usuarios..............................................................172 Figura 112: Ventana para configurar un nuevo nodo..............................................173 Figura 113: Selección de puertos COM virtuales ....................................................173 Figura 114: Prueba de PING satisfactoria...............................................................174 Figura 115: Prueba de PING fallida.........................................................................174 Figura 116: Consulta de un nodo configurado con opción de ELIMINAR NODO ...175 Figura 117: Formulario de Infraestructura Eléctrica por nodo .................................176 Figura 118: Visualización de parámetros monitoreados .........................................177

268

Figura 119: Ventana de POTENCIA........................................................................178 Figura 120: Configuración de umbrales ..................................................................179 Figura 121: Configuración de tiempo de actualización de datos.............................180 Figura 122: Visualización del formulario de reportes ..............................................181 Figura 123: Listado de alarmas obtenido en el Formulario de reportes ..................182 Figura 124: Visualización de formulario de reportes con todas las opciones..........183 Figura 125: Diagrama en bloques general del software del subsistema de

almacenamiento de datos ...............................................................................184 Figura 126: Declaración de variables......................................................................184 Figura 127: Determinación de estados de los formularios ......................................185 Figura 128: Inicialización de conexión del software con la base de datos ..............185 Figura 129: Mensajes generados por el módulo de conectividad ...........................186 Figura 130: Código de Captura de información.......................................................186 Figura 131: Función Mid..........................................................................................187 Figura 132: Función Split ........................................................................................187 Figura 133: Evento MsComm1.output.....................................................................188 Figura 134: Ejemplo de ventana con borde de color...............................................188 Figura 135: Código de comparación de rangos ......................................................189 Figura 136: Análisis de variables dentro de rangos preestablecidos ......................189 Figura 137: Función Llenar_Base ...........................................................................190 Figura 138: Tabla de Access con información de rangos de variables ...................191 Figura 139: Función Settings...................................................................................191 Figura 140: Diagrama eléctrico de caja de pruebas................................................198 Figura 141: Comparación de mediciones de Voltaje de red eléctrica pública

(Diagrama de dispersión) ................................................................................202 Figura 142: Comparación de mediciones de Voltajes regulados (Diagrama de

dispersión) .......................................................................................................203 Figura 143: Comparación de mediciones de Voltaje DC de batería planta eléctrica

(Diagrama de dispersión) ................................................................................204 Figura 144: Comparación de mediciones de Voltaje DC del banco de baterías de la

UPS (Diagrama de dispersión)........................................................................205 Figura 145: Comparación de mediciones de Corriente de red eléctrica pública

(Diagrama de dispersión) ................................................................................206 Figura 146: Comparación de mediciones de Corriente de la UPS (Diagrama de

dispersión) .......................................................................................................207 Figura 147: Comparación de mediciones de Factor de Potencia (Diagrama de

dispersión) .......................................................................................................208

269

LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1: Algunos valores y significados del campo Protocolo en un paquete IP ......25 Tabla 2: Valor de MTU Para Protocolos Comunes de Nivel de Enlace ....................26 Tabla 3: Algunos Puertos TCP/UDP Estándar ..........................................................40 Tabla 4: Señales de la interfase Ethernet .................................................................53 Tabla 5: Tipos de variables .......................................................................................90 Tabla 6: Variables monitoreadas...............................................................................98 Tabla 7: Descripción de señales del visualizador LCD ...........................................142 Tabla 8: Datos transmitidos en la trama principal ...................................................145 Tabla 9: Datos transmitidos en la trama de potencias ............................................146 Tabla 10: Funciones específicas y su respectiva palabra código ...........................152 Tabla 11: Funciones específicas y su respectiva palabra código ...........................153 Tabla 12: Nomenclatura de conexiones entre caja de pruebas y subsistema

adquisición de señales ....................................................................................195 Tabla 13: Mediciones de Voltaje de la red eléctrica pública....................................202 Tabla 14: Mediciones de Voltaje de la UPS ............................................................203 Tabla 15: Mediciones de Voltaje DC de la batería de la planta eléctrica ................204 Tabla 16: Mediciones de Voltaje DC del banco de baterías de la UPS ..................205 Tabla 17: Mediciones de Corriente de la red eléctrica pública................................206 Tabla 18: Mediciones de Corriente de la UPS ........................................................207 Tabla 19: Mediciones de Potencia Activa, Potencia Reactiva, Potencia Aparente y

Factor de Potencia en la red eléctrica pública.................................................208 Tabla 20: Error máximo de cada prueba ejecutada ................................................209 Tabla 21: Presupuesto del proyecto........................................................................211

270

LISTA DE FOTOS

Pág. Foto 1: Dispositivo Xport…………………………………………………….…………....51 Foto 2: Tablero de Transferencia Automática.………………………………………..113 Foto 3: Proceso de montaje del circuito impreso.………………………………….…190 Foto 4: Muestra física: Caja del subsistema de adquisición de señales…………...191 Foto 5: Distribución de circuito impreso dentro de la caja de montaje……….….…191 Foto 6: Conexiones del circuito impreso dentro de la caja de montaje…...............192 Foto 7: Caja de pruebas internamente………………...……….……………………..194 Foto 8: Vista de numeración de interruptores de caja de pruebas……..................194 Foto 9: Borneras de salida de la caja de pruebas……………………………...........197 Foto 10: Vista No. 1 del sistema interconectado…………………….……………….197 Foto 11: Vista No. 2 del sistema interconectado…………………….…………...….198

271

LISTA DE ANEXOS

Pág. ANEXO A. Hojas de especificaciones……………………………………………….216

ANEXO B. Señales de la interface PCB del dispositivo Lantronix………...…..…217

ANEXO C. Diagramas circuitales……………..…………………….……….………218

ANEXO D. Diagrama en bloques del microcontrolador PIC18F452………….....227 ANEXO E. Símbolos que pueden ser representados en el modulo LCD…….…228

ANEXO F. Instrucciones para el manejo del modulo LCD……………………......229

ANEXO G. Diagrama en bloques del software del microcontrolador principal...230 ANEXO H. Diagrama en bloques del software del microcontrolador de video…243 ANEXO I. Diagrama en bloques del software del sistema de almacenamiento

de datos……………………………………………………………………246 ANEXO J. Condiciones de montaje de subsistema de adquisición de señales

en nodo Paraíso…………………………………………………………..251

ANEXO K. Diagrama del circuito impreso…………………………………......……257 ANEXO L. Condiciones de calida de Energía para algunos tipos de equipos eléctricos………………………………………………………………………………..258

272

BIBLIOGRAFIA

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prototipo de sistema de monitoreo para … · 3 figura 6: visualización de parámetros...

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