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Propuesta de un sistema de aire forzado para la batería de un restaurador modelo SEL 351R

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Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Ingeniería en Control y Automatización

Unidad Profesional Adolfo López Mateos

Propuesta de un sistema de aire forzado para la batería de un

restaurador modelo SEL 351R

TRABAJO PARA OBTENER EL TÍTULO EN

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

P R E S E N T A:

González Ortega Claudia Angélica

A S E S O R E S:

M. en C. Adrián Esteban Mejía García

M. en C. Gustavo Pacheco Van Dyck

(2)
(3)

I

ÍNDICE

ÍNDICE ... I ÍNDICE DE FIGURAS ... III ÍNDICE DE TABLAS ... V AGRADECIMIENTOS ... VI INTRODUCCIÓN... VII OBJETIVO GENERAL ... IX ESPECÍFICOS ... X JUSTIFICACIÓN ... XI

CAPÍTULO 1. SITUACIÓN ACTUAL. ... 1

1.1. GENERALIDADES DEL PROYECTO ... 2

1.2. RESTAURADOR SEL-351R ... 3

1.2.1 Panel de control ... 7

1.3. BATERÍAS DEL RESTAURADOR SEL-351R ... 8

1.4. COMUNICACIÓN RESTAURADOR- MANDO CENTRAL ... 11

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO ... 12

2.1. AUTOMATIZACIÓN ... 13

2.2. DISTRIBUCIÒN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. ... 15

2.2.1 Principales componenetes del sistema de distribución. ... 17

. . Restau ado es………....………..……….19

2.3. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO. ... 20

. . Ai e Fo zado………..……….21

. . Lí uida……….……….…...22

. . Ref ige a ió peltie ……….………..… 2.4. SENSOR………...24

. . Se so de te pe atu a……….………26

2.5 ACTUADOR………..28

. SISTEMA GLOBAL PARA COMUNICACIÓN MOVIL GSM ……….…..29

. . Co u i a ió vía GPRS Se vi io Ge e al de Pa uetes Vía Radio ……….…..30

. MICROCONTROLADORES……….…31

(4)

II

2.7.2 Componentes de u i o o t olado ………...33

. COMANDOS AT……….……35

2.9 COMUNICACIÓN SERIAL……….…38

CAPÍTULO 3. SELECCIÓN DE INSTRUMENTOS. ... 40

3.1. DISEÑO CONCEPTUAL ... 41

3.2. MICROCONTROLADOR ... 47

3.3. GPRS SHIELD ... 52

3.4. SENSOR DE TEMPERATURA ... 55

3.5. VENTILADORES ... 57

3.6. REGULADOR DE TENSIÓN... 58

3.7 ACTUADOR LINEAL ... 59

3.8 TEMPERATURAS DE OPERACIÓN………...………….60

CAPÍTULO 4. PROGRAMACIÓN E INTEGRACIÓN ... 61

4.1. INTEGRACIÓN ... 62

4.1.1. Etapas de potencia. ... 63

4.1.2. Adecuación de la caja de conexiones. ... 67

. . . Pe fo a ió de u pla a ase pa a el o taje de los ve tilado es……….……... . . . I teg a ió o e ió de o po e tes e el ga i ete de o e io es……… 4.2. PROGRAMACIÓN ... .72

4.2.1 Entorno de desarrollo ... 73

4.2.2. Instalando el ambiente de desarrollo de Arduino UNO ... 78

. . . Co figu a ió de pue tos se iales………..………. . . . P og a a ió paso a paso……..………. PRUEBAS Y RESULTADOS ... 98

CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE COSTOS ... 108

5.1 CLASIFICACIÓN DE COSTOS... 109

CONCLUSIONES ... 114

RECOMENDACIONES ... 116

GLOSARIO ... 117

REFERENCIA BIBLIOGRÁFÍCA... 119

(5)

III

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Paquete de pilas de 12V a 8Ah………2

Figura 1.2. Restaurador SEL-351R ... 4

Figura 1.3. Panel frontal del restaurador SEL-351R ... 4

Figura 1.4. Parte lateral del restaurador SEL-351R ... 4

Figura 1.5. Parte trasera del restaurador SEL-351R ... 5

Figura 1.6. Ubicación de la batería sellada en el SEL-351R………..6

Figura 1.7. Panel frontal SEL 351R... 7

Figura 1.8. Parte interna del SEL-351R y las baterías que lo alimentan………....………..8

Figura 1.9. Curvas de descarga serie NP de la batería sellada marca Genesis ... 9

Figura 1.10. Vida en servicio de ciclado en relación a profundidad de descarga de la baterías sellada marca Genesis ... 10

Figura 1.11. Comunicación y envío de datos (Restaurador- Mando Central de Control y viceversa) . ... 11

Figura 2.1. Red de distribución de la energía eléctrica………. 16

Figura 2.2. Ventilador con disipador………..22

Figura 2.3. Radiador………22

Figura 2.4. Bomba de agua ... 23

Figura 2.5. Explicación peltier. ... 23

Figura 2.6. Célula peltier ... 24

Figura 2.7. Clasificación de los sensores por los principios de transducción. ... 25

Figura 2.8. Esquema de bloques de un procesador digital secuencial síncrono. ... 32

Figura 2.9. Esquema de bloques de un microcontrolador ... 33

Figura 3.1. Perforaciones para liberar el aire caliente por medio de ventiladores. ... 42

Figura 3.2. Vista lateral de apertura de la tapa superior del gabinete………..………...42

Figura 3.3. Vista trasera de apertura de la tapa superior del gabinete………...43

Figura 3.4. Diseño físico del proyecto………..……….44

Figura 3.5. a)Ventilador 1 instalado; ventilador 2 instalado………..45

Figura 3.6. Propuesta de diseño conceptual………46

Figura 3.7. Componentes Arduino UNO. ... 48

Figura 3.8. Arduino Software ... 50

Figura 3.9. Componentes de Sim 900. ... 53

Figura 3.10.Sensor de temperatura LM35. ... 56

Figura 3.11. Ventilador de 12V DC ... 57

Figura 3.12. Regulador de tensión 7805CT ... 58

Figura 3.13. Actuador lineal………59

Figura 4.1. Esquemático del circuito de potencia.………...64

Figura 4.2. Circuito de potencia en PCB………..65

Figura 4.3. Perforación de la etapa de potencia para cerradura y ventiladores………66

Figura 4.4. Etapa de potencia para cerradura y ventiladores………..66

Figura 4.5. Circuito de potencia con componentes físicos ……….…….67

Figura 4.6. L298, etapa de potencia para actuador lineal………67

Figura 4.7. Gabinete metálico para conexiones eléctricas………68

Figura 4.8 Cerradura electromecánica……….………...69

Figura 4.9. Montaje de la cerradura en el gabinete……….…..69

Figura 4.10 Etapas de potencia montadas en la pared derecha del gabinete………..70

(6)

IV

Figura 4.12. Montaje de ventiladores y actuador lineal……….…71

Figura 4.13. Integración terminada………...71

Figura 4.14 Conexión de la cerradura..…….………….……….….72

Figura 4.15. Entorno de desarrollo en Arduino. ... 74

Figura 4.16. Área de mensajes……….75

igura 4.17. Monitor Serial y opciones referentes a los caracteres de fin de línea………77

Figura 4.18. Pestaña para los valores de baudrate disponibles. ... 78

Figura 4.19 Selección de modelo de Arduino. ... 79

Figura 4.20 Selección de puerto en donde se encuentra conectado el Arduino Uno………...80

Figura 4.21 Identificación de los puertos seriales. ... 81

Figura 4.22 Diagrama de flujo.. ... 83

Figura 4.23 Librería Software Serial.. ... 83

Figura 4.24 Declaración de pines y variables.. ... 84

Figura 4.25 Programación funcion Void setup (). ... 85

Figura 4.26 Diagrama de flujo de las funciones principales ... 86

Figura 4.27. Programación funcion Void loop ().. ... 86

Figura 4.28. Función configuración_inicial(). ... 87

Figura 4.29 Inicio de la función leer_mensaje () ... 88

Figura 4.30 Cierre de la funcion leer_mensaje ().. ... 88

Figura 4.31 Diagrama de flujo de la función temp ()……….……….………89

Figura 4.32 Función “temp ()”………..………..90

Figura 4.33 Diagrama de flujo de la funcion abrirp () ... 91

Figura 4.34 Función “abrirp ()”...………..92

Figura 4.35 Diagrama de flujo de la función voltmetro ()…………..……...93

Figura 4.36 Función “voltmetro ().………...93

Figura 4.37 Diagrama de flujo de la función temp_accion ()……….………...95

Figura 4.38 Función “temp_accion()”. ... 96

Figura 4.39 Funciones para él envió de mensajes inicio.. ... 97

Figura 4.40 Funciones para él envío de mensajes término…………..………97

Figura 4.41 Conexiones para la realización de prueba……….98

Figura 4.42 GPRS lista para trabajar………99

Figura 4.43 Lectura de mensaje de código “@TEMP”, temperatura actual de la batería………….100

Figura 4.44 Mensaje de respuesta del código “@TEMP”, temperatura actual de la batería……….100

Figura 4.45 Lectura de mensaje de código “@VOLTAJE”, tensión actual de la batería…………..102

Figura 4.46 Mensaje de respuesta del código “@VOLTAJE”, temperatura actual de la batería…102 Figura 4.47 Lectura de mensaje de código “@ABRIR”, tensión actual de la batería………….….104

Figura 4.48 Mensaje de respuesta del código “@ABRIR”, temperatura actual de la batería……..104

Figura 4.49. Apertura del gabinete………..105

Figura 4.50.Mensajes de respuesta………106

Figura 4.51. Activación de ventiladores y el actuador lineal ....………..………..107

(7)

V

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Clasificación de los sensores según la variable fisica a medir………..26

Tabla 2.2. Parámetros para el comando AT+CNMI………... .. 37

Tabla 3.1. Ficha técnica del Arduino UNO. ... 49

Tabla 3.2. Tabla comparativa de microcontroladores……….……….…..51

Tabla 3.3. Comparación de las diferentes tarjetas o Shields……… ... 54

Tabla 3.4. Equivalencia de mV a ºC………....56

Tabla 3.5 Comparación de sensores de temperatura.. ... 53

Tabla 3.6 Características del ventilador NMB.. ... 57

Tabla 3.7 Temperaturas de operación .. ... 60

Tabla 4.1. Temperatura leída & tiempo de lectura………..……….……….…101

Tabla 4.2. Tensión leída y tension correspondiente…………..……….……….…103

Tabla 5.1.Componentes electrónicos………..…..110

Tabla 5.2 Equipo necesario……….………..……….……….……111

Tabla 5.3. Costos fijos………..111

Tabla 5.4 Costos variables……….………..…………112

Tabla 5.5 Ingeniería………..…………113

Tabla 5.6 Técnico………..………..………..…………113

(8)

VI

AGRADECIMIENTOS

A Dios.

Por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado la oportunidad para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor.

A mi madre.

Por estar a lo largo de mi vida apoyándome y guiándome, por por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor y su amistad.

Te amo.

A mi padre Raúl.

Por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan, por darme la oportunidad de estudiar y que me ha infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante.

Te amo.

A mis familiares.

A mis hermanos Oscar y Vanessa por estar conmigo en momentos difíciles; a tía Mary Chuy por confiar en mí y apoyarme a lo largo de mi vida.

Los quiero.

A mis maestros.

M. en C. Adrián por su gran apoyo y motivación para la culminación de nuestros estudios profesionales y para la elaboración de esta tesis, por ser más que un profesor un gran amigo.

M. en C. Gustavo por su apoyo ofrecido en este trabajo y por su tiempo compartido para impulsar el desarrollo de nuestra formación profesional.

(9)

VII

INTRODUCCIÓN

Comisión Federal de Electricidad (CFE) emplea restauradores, estos son equipos que permiten cerrar las líneas de alta y media tensión, por lo que en términos generales funcionan como conmutadores. Estos dispositivos se encuentran en todo el país, pero principalmente los restauradores que presentan fallas de funcionalidad son los que se ubican en el Estado de Morelos y Guerrero, donde la temperatura oscila entre 30°C y 40°C. Debido a la temperatura al interior del gabinete y la temperatura ambiente el restaurador llega a tener una temperatura alrededor de 50°C o más, por lo que la batería que los alimenta con el uso prolongado y debido a estos aumentos de temperatura, se daña y dichos restauradores presentan fallas de funcionalidad.

Para el control de los restauradores y realizar el cierre de las líneas desde el Mando Central de Control de Comisión Federal de Electricidad, se efectúa cuando el operador manda un mensaje vía GPRS (Servicio General de Paquetes Vía Radio), y este es recibido por un modem, el cual se encuentra instalado dentro del gabinete. Este mensaje recibido llega en comandos AT o comandos Hayes (Instrucciones entre usuario y modem) y por consiguiente el sistema lo descifra para saber lo que se está solicitando desde el Mando Central de Control.

El Mando Central de Control puede solicitar la activación de la línea de alimentación o desactivarla, también es posible que sólo mande un comando AT para saber si el equipo esta encendido y operando adecuadamente.

Este proyecto presenta una posible solución además de incluir el prototipo para evitar el aumento de la temperatura en el restaurador modelo SEL- 351R, el cual se alimenta por medio de una batería sellada tipo Yuasa, dicho proyecto se realiza con el objetivo de evitar el sobrecalentamiento del restaurador y pierda funcionabilidad.

(10)

VIII La comunicación se realiza vía GPRS (Servicio General de Paquetes Vía Radio), utilizando comandos AT o comandos Hayes, debido a que si se desea realizar una implementación por parte de Comisión Federal de Electricidad (CFE) no exista conflicto alguno con la forma de comunicación entre equipos que ellos manejan.

Para llevar a cabo este proyecto se requirió hacer un estudio de los diferentes sistemas de enfriamiento existentes, para así poder seleccionar el más adecuado de acuerdo a las condiciones de operación. También se investigó acerca de los comandos AT o comandos Hayes, y que tipo de dispositivo de bajo costo que permite enviar dichos comandos.

(11)

IX

OBJETIVO GENERAL

(12)

X

OBJETIVOS ESPECIFICOS

a) Seleccionar los componentes idóneos para integrar el sistema de aire forzado.

b) Elaborar el programa por medio de comandos AT para realizar el monitoreo de la temperatura en la que se encuentra la batería, además de consultar la tensión que proporciona la misma.

(13)

XI

JUSTIFICACIÓN

Este proyecto se realizará con el fin de solucionar el problema encontrado en los restauradores pertenecientes a Comisión Federal de Electricidad (CFE). Estos restauradores son colocados alrededor de todo el País pero principalmente los que se encuentran ubicados en los Estados de Guerrero y Morelos son los que han presentado fallas, debido a que la temperatura del medio ambiente es elevada, las baterías de los restauradores sufren daños y dejan de funcionar.

La función de estas baterías sellada en el SEL- 351R, es alimentar el restaurador para así poder realizar el recierre adecuado de la línea, en caso de dañarse las baterías el restaurador no se accionaría y por lo tanto no podría cumplir con su función, siendo este el problema principal que afecta a los restauradores ubicados en el Estado de Morelos y Guerrero.

Es por eso que se desea diseñar una propuesta de sistema de aire forzado y así permitir que el restaurador tenga una buena funcionabilidad, además de mantener las baterías en un rango de temperatura entre 20°C y 30°C.

En caso de solucionar el problema encontrado en las baterías selladas que alimentan los restauradores, se verá beneficiada la empresa Comisión Federal de Electricidad (CFE) ya que se evitara perder funcionabilidad en el restaurador.

(14)

1

(15)

2

1.1 GENERALIDADES DEL PROYECTO

El problema de exceso de temperatura en el gabinete afecta la batería que alimenta a los restauradores SEL-351R utilizados en Comisión Federal de Electricidad (CFE) afecta la funcionalidad de dichos equipos.

[image:15.612.85.528.291.540.2]

Anteriormente utilizaban un paquete de pilas de ácido de plomo sellado, la cual proporciona 12 V a 8 Ah y está diseñada específicamente para trabajar en el modelo SEL-351R de controles de recierre de línea, pero debido a las altas temperaturas estas sufrían daños, véase en la figura 1.1.

Figura 1.1. Paquete de pilas de 12V a 8Ah.

(16)

3 Actualmente se utiliza una batería sellada marca Genesis, la cual proporciona 12 V a 9Ah, sin embargo se sigue presentando el mismo problema en los restauradores que se encuentran en zonas cálidas, en donde las baterías se ven afectadas por la temperatura de funcionamiento en el interior del restaurador y la temperatura ambiente, este exceso de temperatura provoca que las baterías se dañen y por lo tanto no funcionen cuando se requiere.

1.2 RESTAURADOR SEL-351R.

El restaurador SEL-351R es un control de recierre (interruptor, apertura y cierre rápido para disipar un cortocircuito). Están diseñados para tensiones de 15 kV, 27 KV y 38 KV. Son equipos de seccionamiento autocontrolado, cuya característica principal es la de interrumpir sobrecorrientes de régimen transitorio y permanente utilizando recierres rápidos y lentos.

Se utilizan principalmente en áreas en las que no se puede asistir de manera inmediata por los trabajadores de Comisión Federal de Electricidad (CFE), es por eso que utilizan dichos restauradores que son accionados por medio de un modem conectado vía GPRS (Servicio General de Paquetes Vía Radio) al Mando Central de Control.

(17)

4 Figura 1.2. Restaurador SEL-351R.

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5 c) Figura 1.5. Parte trasera del restaurador SEL-351R.

Este restaurador cuenta con configuraciones seriales, dos de ellas en el panel lateral y una en el panel frontal puertos de comunicaciones en serie. La velocidad de transmisión con la que cuentan son de 300,1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400 baudios. Además cuenta con entradas opcionales de alimentación, entradas optoaisladas, entradas analógicas y sus respectivos contactos de salida.

(19)

6 Estos restauradores al estar en áreas del país en las que la temperatura ambiente pasa de los 30°C suelen elevar su temperatura interna durante el día, aunado al hecho de que el gabinete es cerrado por lo que no tiene la ventilación suficiente y se encuentra a la intemperie, colocados normalmente en torres donde están expuestos a la luz solar. En esas condiciones provoca que ya no funcionen correctamente y que constantemente tengan que ser reemplazadas. Es por esto que se desea buscar un sistema que evite el aumento excesivo de la temperatura por periodos de tiempo prolongados.

Este gabinete está basado en la nema tipo 3R e IP32, la cual es de uso exterior, el grado de protección es sellado contra basura que cae, lluvia, aguanieve y nieve, sin daños por la formación de hielo en el gabinete

En la figura 1.6. se muestra la ubicación de la batería.

(20)

7

1.2.1 Panel de control.

El panel de control en el SEL- 351R está diseñado para ser fácil de usar y un funcionamiento flexible por parte del personal de campo. En la figura 1.7. se muestra las funciones predeterminadas.

En este restaurador se puede cambiar la mayoría de las funciones de programación para cumplir con los requisitos del sistema.1

(21)

8

1.3 BATERIAS DEL RESTAURADOR SEL-351R.

La batería sellada que alimentan al restaurador SEL-351R (figura 1.8.), tiene tensión de celda básica de aproximadamente 2 V, pero por lo común se conectan internamente seis celdas para proporcionar 12 V en las terminales además de ser capaz de suministrar 9 Ah 2.

Figura 1.8. Parte interna del SEL-351R y batería que lo alimentan.

Esta batería cuenta con las siguientes especificaciones:

 Carga de retención (vida útil) a 20°C: 1 mes 98%

3 meses 94% 6 meses 85%  Esperanza de vida:

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9 Uso del ciclo (aprox.):

100% de profundidad de descarga 200 ciclos 50% de profundidad de descarga 500 ciclos 30% de profundidad de descarga 1000 ciclos

Continuación se presentan las gráficas que representan a la serie NP.

El comportamiento de la tensión de la batería con respecto al tiempo en horas de carga o descarga a tasa normal se indica por las curvas llamadas curvas de carga y descarga.

Durante la descarga, la diferencia de potencial decrece de alrededor de 2.1 V a 1.8 V, cuando se dice que la célula está completamente descargada. La tasa de descarga siempre se especifica como 8 horas, 10 horas, etc.

la tasa de descarga es alta, cuando la curva presenta un decaimiento más vertical conforme la tensión decrece más rápido.

En la figura 1.9. se presentan la curvas de descarga serie NP.

(23)

10 El ciclado de la batería se refiere al proceso de carga y descarga. La descarga es el proceso en el que la batería suministra una correine durante un determinado tiempo (régimen de descarga). En la carga la batería recibe o acepta una determinada corriente durante un tiempo determinado (régimen de carga). Se considera un ciclo como una descarga seguida de una carga.

La descarga puede ser pequeña o profunda. Un 100% de profundidad de descarga suministra información acerca de la capacidad de la batería a un determinado régimen de corriente. La profundidad de descarga afecta la vida útil de la batería, el número de ciclos carga/ descarga de una batería desciende con la profundidad de descarga. Normalmente se acepta que una batería ha finalizado su vida útil cuando ha perdido un 20 % de su capacidad inicial. En la figura 1.10. representa la vida de ciclado en relación a la profundidad de descarga.

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11

1.4 COMUNICACIÓN RESTAURADOR- MANDO CENTRAL

La comunicación entre restaurador y Mando Central de Control es a través de comunicación vía GPRS (Servicio General de Paquetes Vía Radio), debido a que esta permite de una manera rápida y a largas distancias activar el restaurador, además de que se reducen costos pues se ahorra en cableado o en la adquisición de otro tipo de equipos inalámbricos que debido a la distancia serían muy costosos. Otro dato importante para mencionar es que la comunicación entre el restaurador y el Mando Central de Control actualmente se hace enviando la información del modem ubicado en el restaurador vía GPRS (Servicio General de Paquetes Vía Radio) mediante cualquier compañía hacia el Mando Central, y viceversa. (Véase en la figura 1.11.).

(25)

12

(26)

13

2.1 AUTOMATIZACIÓN

“La automatización es un sistema donde se transfieren tareas de producción,

realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos que tratan de aplicar sistemas mecánicos, electrónicos y bases computacionales para operar y controlar la producción”.3

Es importante entender que este sistema funciona básicamente de la siguiente manera: mediante el empleo de sensores (que son esencialmente elementos de un sistema de medición), se recibe la información sobre el comportamiento de las variables a controlar (nivel, posición, velocidad, voltaje, corriente, potencia, temperatura), esta información se convierte en una señal que es comparada por medio del controlador con la señal consigna o punto de ajuste para determinada variable.

Si esta señal no concuerda, de inmediato se genera una señal de control (que es esencialmente una nueva instrucción), por la que acciona un actuador ejecutable (que generalmente son válvulas y motores), el que convierte la señal de control en una acción sobre el proceso de producción capaz de alterar la señal original imprimiéndole el valor o la dirección deseada. El alcance va más allá que la simple mecanización de los procesos ya que esta provee a operadores humanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo y reduce ampliamente la necesidad sensorial y mental del humano.

Un sistema automatizado consta de dos partes principales:

 Parte Operativa.  Parte de Mando.

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14 como motores, cilindros, compresores y los captadores como fotodiodos, finales de carrera, etcétera.

La Parte de Mando suele ser una tecnología programada, aunque antes se utilizaban relevadores electromagnéticos, tarjetas electrónicas o tecnología cableada. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.3

En la cual intervienen tecnologías cableadas y tecnologías programadas.

Tecnologías Cableadas:

Con este tipo de tecnología, el automatismo se realiza interconectando los distintos elementos que lo integran. Su funcionamiento es establecido por los elementos que lo componen y por la forma de conectarlos. Los dispositivos que se utilizan en las tecnologías cableadas para la realización del automatismo son:

 Relevadores electromagnéticos  Módulos lógicos neumáticos  Tarjeta electrónicas

Tecnologías programadas

Los avances en el campo de los microprocesadores de los últimos años han favorecido la generalización de las tecnologías programadas. En la realización de automatismos. Los equipos realizados para este fin son:

 Los ordenadores

 Los autómatas programables

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15 Un autómata programable industrial es un elemento robusto diseñado especialmente para trabajar en ambientes de talleres, con casi todos los elementos del ordenador.3

2.2 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

El Sistema de Distribución de Energía Eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico cuya función es la distribución de energía eléctrica desde la subestación de distribución hasta los usuarios finales (medidor del cliente). 4

Redes de distribución

Consta de las líneas de subtransmisión, de las subestaciones de distribución, redes de distribución en media tensión, bancos de transformación y las redes de distribución en baja tensión (en general llamadas secundario).

Se pueden clasificar por su nivel de tensión y se utiliza la siguiente división donde los límites de la clasificación no son estrictos, dependen de criterios y de normas:

 Baja tensión, sistemas de hasta 1.000V

 Media tensión, sistemas hasta 36 kV, algunos consideran valores más altos (72,5 kV). El límite está en la diferente tecnología entre esta clase y la superior.

 Alta tensión, sistemas hasta 245 - 300 kV.

 Muy alta tensión, por encima de los 300 - 360 kV.4

(29)

16 Figura 2.1. Red de distribución de la energía eléctrica.

Producción:

La energía se genera en los alternadores a tensiones de 3 a 36 kV en corriente alterna que están en las centrales generadoras. Entre ellas es posible distinguir distintos tipos como hidráulicas, térmicas (carbón, combustibles líquidos, gas), nucleares u otros sistemas de producción de menor importancia como por ejemplo la energía solar, eólica, biomasa, etc

Redes de transporte:

Esta red, partiendo de las estaciones elevadoras, tiene alcance nacional, uniendo entre sí los grandes centros de interconexión del país y estos con los centros de consumo. Su misión es el transporte de potencias a grandes distancias. Las tensiones utilizadas en México son: 127 – 220 - 380 kV. Estas redes por su característica de interconexión son redes fundamentalmente malladas.

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17 Son redes que, con una característica muy marcada, cubren la superficie del gran centro de consumo (población, gran industria, etc.) uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación. Las tensiones empleadas son: 3 - 6 - 10 - 11 - 15 - 20 - 25 - 30 kV.

Redes de distribución en baja tensión:

Son redes que, partiendo de los centros de transformación citados anteriormente, alimentan directamente los distintos receptores, constituyendo pues, el último escalón en la distribución de la energía eléctrica. Las tensiones utilizadas son: 220/127V y 380/220V.4

2.2.1 Principales componentes del sistema de distribución.

Los principales elementos componentes de un sistema de distribución son:

a) Alimentadores primarios de distribución.

Son los encargados de llevar la energía eléctrica desde las subestaciones de potencia hasta los transformadores de distribución. Los conductores van soportados en poste cuando se trata de instalaciones aéreas y en ductos cuando se trata de instalaciones subterráneas.

b) Transformadores de distribución.

Los transformadores de distribución son los equipos encargados de cambiar la tensión primaria a un valor menor de tal manera que el usuario pueda utilizarla sin necesidad de equipos e instalaciones costosas y peligrosas. En si el transformador de distribución es la liga entre los alimentadores primarios y los alimentadores secundarios. 5

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18 Los alimentadores secundarios distribuyen la energía desde los transformadores de distribución hasta las acometidas a los usuarios.

En la mayoría de los casos estos alimentadores secundarios son circuitos radiales, salvo en los casos de las estructuras subterráneas malladas (comúnmente conocidas como redes automáticas) en las que el flujo de energía no siempre sigue la misma dirección.

a) Acometidas.

Entre los elementos secundarios de una red de distribución se tienen:

Cuchillas. Son los elementos que sirven para seccionar o abrir alimentadores primarios de distribución, su operación es sin carga y su accionamiento de conectar y desconectar es por pértiga, abriendo o cerrando las cuchillas una por una o en grupo según el tipo de la misma; su montaje en poste puede ser horizontal o vertical.

Reactores. Son dispositivos utilizados para introducir reactancia en alimentadores primarios de distribución con el propósito de limitar la corriente que fluye en un circuito, bajo condiciones de cortocircuito, se conectan en serie con el alimentador.

Interruptores. Son dispositivos que permiten conectar o desconectar con carga un alimentador primario de distribución, son instalados en poste o estructura en juegos de tres interruptores, son operados en grupo con mecanismo reciprocante de operación manual.

Capacitores. Son dispositivos cuya función primordial es introducir capacitancia, corrigiendo el factor de potencia en alimentadores primarios de distribución.5

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19 Restauradores. Es un equipo de seccionamiento autocontrolado, cuya característica principal es la de interrumpir sobrecorrientes de régimen transitorio y permanente utilizando recierres rápidos y lentos de acuerdo con las curvas de tiempo-corriente definidas, con la finalidad de llevar a cabo una coordinación adecuada con otros dispositivos ubicados en el mismo circuito.

Seccionadores. Son elementos que no están diseñados para interrumpir corrientes de cortocircuito ya que su función es el de abrir circuitos en forma automática después de cortar y responder a un número predeterminado de impulsos de corriente de igual a mayor valor que una magnitud previamente predeterminada, abren cuando el alimentador primario de distribución queda desenergizado, tratándose de la desconexión de cargas se puede hacer en forma manual.5

2.2.2 Restauradores.

Es un equipo de seccionamiento autocontrolado, cuya característica principal es la de interrumpir sobrecorrientes de régimen transitorio y permanente utilizando recierres rápidos y lentos de acuerdo con las curvas de tiempo-corriente definidas, con la finalidad de llevar a cabo una coordinación adecuada con otros dispositivos ubicados en el mismo circuito.6

Normalmente el 80 % de las fallas son de naturaleza temporal, por lo que es conveniente restablecer el servicio en la forma más rápida posible para evitar interrupciones de largo tiempo. En caso de que la falla no fuera eliminada, entonces el restaurador opera manteniendo sus contactos abiertos. Los restauradores están diseñados para interrumpir en una sola fase o en tres fases simultáneamente.

(33)

20 a la que está conectado el restaurador sufre alguna falla, la fase dañada puede remplazarse por alguna de las otras dos mientras la falla es reparada.

Restaurador trifásico: Como su nombre lo indica, son equipos que se conectan a las tres fases de un circuito trifásico, sin embargo estos equipos pueden clasificarse como restauradores de disparo monofásico y de disparo trifásico.

Los restauradores de disparo monofásico tienen tres modos de operación,

1. Disparo trifásico con bloqueo trifásico, las tres fases operan simultáneamente ante una sobrecorriente, si la falla es temporal y pudo restablecerse por sí sola los dispositivos cierran para restablecer el servicio.

2. Disparo monofásico con bloqueo trifásico, cada reconectador de cada fase opera independiente, si una de las fases presenta una falla el reconectador opera, abre el circuito y vuelve a cerrar para verificar si la falla ha desaparecido, si la falla no es de carácter temporal entonces los tres restauradores operan dejando inhabilitadas las tres fases, de esta forma se evitan desbalanceó en las líneas.

3. Disparo monofásico con bloqueo monofásico, si una falla ocurre en alguna fase, el restaurador que la protege opera y deja abierto el circuito, sin embargo los restauradores que protegen a las otras dos fases siguen cerrados, es decir, la apertura del restaurador en una fase no favorece a que los otros dos restauradores operen, este sistema se usa para alimentar instalaciones residenciales donde el servicio es monofásico.6

2.3 SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

(34)

21 La temperatura puede hacer que un dispositivo sea inestable, es decir, que cometa errores en el procesamiento de datos. Para eliminar dicho calor del procesador existen varias técnicas. Los diferentes tipos de refrigeración son:

 Aire forzado  Líquida  Peltier

2.3.1. Aire Forzado.

En este tipo de enfriamiento se utiliza un disipador sobre el que va montado un ventilador. Un disipador es un objeto de superficie metálica con curvaturas sucesivas para aumentar la superficie de la misma.7

La idea consiste en que el disipador absorba el calor del módulo para que seguidamente pase el aire.

El ventilador colocado sobre el disipador a extraer el aire caliente de las ranuras del disipador haciendo circular este con mayor velocidad.

Debido a la temperatura interior y exterior, a la corriente, y a la velocidad a la que trabajan, hace que se caliente en gran medida, para esto se debe extraer el aire caliente almacenado en el interior. Para ello se parte de la teoría de que el aire caliente tiende a subir y el frío a bajar. De esta forma habrá una mayor acumulación de caliente en la parte superior, por lo tanto lo ideal sería la colocación de un ventilador extractor en la parte superior (figura 2.2.).

(35)

22

Figura 2.2. Ventilador con disipador.

2.3.2 Líquida.

Este es otro sistema alternativo y consta de los siguientes componentes:

Bloques de agua. Es donde se pone en contacto el componente que debemos refrigerar.

Radiador. Es donde se enfría el agua, generalmente a base de ventiladores de gran tamaño, suelen contar con una gran superficie que facilita la disipación de calor (Véase en la figura 2.3.).7

Figura 2.3. Radiador.

(36)

23 cierta presión, ya que la presión ayuda notablemente al intercambio de calor (figura 2.4.).

Figura 2.4. Bomba de agua.

2.3.3 Refrigeración peltier.

Un peltier es un elemento termoeléctrico, una especie de placa con dos terminales. Al inducir una diferencia de potencial entre las terminales, se produce una transferencia de calor entre ambas caras de la placa, de manera que una se enfría mucho y la otra hierve, explicación gráfica en la figura 2.5.7

Figura 2.5. Explicación peltier.

(37)

24 Este componente se basa en una serie de reacciones eléctricas que producen un enfriamiento importante en una cara del componente llegando a temperaturas bajo 0 (Véase figura 2.6.).7

Figura 2.6. Célula peltier.

2.4 SENSOR

Se define como un dispositivo de entrada que proporciona una señal de salida a partir de la señal generada por una variable física de entrada. Un sensor radica en que no cambia las propiedades de la variable física, además de que la salida del sensor será un dato útil para un sistema de medición.

Actualmente los sensores entregan señales eléctricas a la salida, ya sean analógicas o digitales. Un sensor es análogo si ofrece una salida que sea análoga y de esta manera cambia de forma continua y por lo general tiene una salida cuyo tamaño es proporcional al tamaño de la variable que se está midiendo. El término digital se emplea cuando los sistemas ofrecen salidas que son digitales por naturaleza, por ejemplo, una secuencia de señales encendido/apagado principalmente, que arrojan un número cuyo valor se relaciona con el tamaño de la variable que se está midiendo.

(38)

25 Clasificación de los sensores por el principio de transducción:

Los sensores se pueden clasificar por el tipo de transductor que se utilice para su implementación; sin embargo, este tipo de clasificación suele ser poco práctica, ya que no ofrece una idea clara acerca de qué tipo de variable física puede medir este (figura 2.7.).

Figura 2.7. Clasificación de los sensores por los principios de transducción.

Clasificación de los sensores por el tipo de variable medida:

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26

Tabla 2.1. Clasificación de los sensores según la variable física a medir

Clasificación de los sensores según la variable física a medir

De posición, velocidad y aceleración De nivel y proximidad

De humedad y temperatura De fuerza y deformación De flujo y presión De color, luz y visión De gas y PH

Biométricos De corriente

2.4.1 Sensor de temperatura.

Existen diferentes tipos de sensores de temperatura, se pueden clasificar dependiendo su principio de funcionamiento:

Sensores bimetálicos.

Son conocidos como termostatos, son básicamenteinterruptores que producen una salida del tipo (todo o nada) y conmutan de un estado al otro cuando se alcanza un determinado valor de temperatura. Los termostatos conmutan automáticamente de un estado al otro.

Este tipo de sensores se fabrican para detectar temperaturas desde -75ºC hasta +540ºC y son también muy utilizados como dispositivos de protección en circuitos eléctricos.

Sensores termorresistivos.

(40)

27 Sensores termoeléctricos.

Popularmente conocidos como termocuplas o termopares, son dispositivos que producen una tensión proporcional a la diferencia de temperatura entre el punto de unión de dos alambres metálicos disimiles (unión caliente) y cualquiera de los extremos libres (unión fría). 8

Sensores monolíticos o de Silicio.

Son dispositivos basados en las propiedades térmicas de las uniones semiconductoras (PN), particularmente la dependencia de la tensión base emisor (VBE) de los transistores bipolares con la temperatura cuando la corriente de colector es constante.

Sensores piroeléctricos.

También denominados termómetros de radiación, son dispositivos que miden indirectamente la temperatura a partir de la medición de la radiación térmica infrarroja que emiten los cuerpos calientes. Los termostatos, termorresistencias y sensores de silicio son dispositivos generalmente invasivos, es decir deben estar en contacto físico con la substancia u objeto cuya temperatura se desea medir.

Termistores.

Son dispositivos basados en óxidos metálicos semiconductores que exhiben un gran cambio en su resistencia eléctrica cuando se someten a cambios relativamente pequeños de temperatura. Pueden ser de coeficiente de temperatura positivo (PTC) o negativo (NTC), siendo estos últimos los más utilizados. La mayoría de los termistores se diseñan para trabajar en el rango de -50ºC a 150ºC.

Sensores infrarrojos.

(41)

28 mismos. Se utilizan en los casos en los cuales resulta imposible o peligroso el uso de un termistor, una termocupla u otro tipo de sensor de contacto. 8

2.5 ACTUADOR

Los actuadores son dispositivos mecánicos cuya función es proporcionar fuerza

para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador

proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo del origen de la fuerza

el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”. Los sensores son

los elementos encargados de obtener la información, es decir, proporcionan las señales de entrada a la Unidad de Control para que ésta pueda determinar la orden de salida. Esta orden de salida es convertida en una señal eléctrica que se envía a un accionador o actuador que convertirá la energía eléctrica en otra forma de energía.8

Tipos de actuadores.

Los actuadores, según su funcionamiento básico se pueden clasificar en:

 Electromagnéticos. Son los basados en el magnetismo o electromagnetismo.  Calefactores. Son aquellos que generan calor.

 Electromotores. Son accionamientos donde intervienen motores eléctricos.  Electromotores. Motores paso a paso.

 Acústicos. Son los sensores relacionados con el sonido.

(42)

29

2.6 SISTEMA GLOBAL PARA COMUNICACIÓN MÓVIL (GSM)

GSM (del inglés, Global System for Mobile communication, que traducido al español es Sistema Global para comunicación Móvil) es un sistema telefónico digital móvil ampliamente utilizado en Europa y otras partes del mundo. GSM emplea una variación del sistema TDMA (del inglés, Time Division Multiple Access) y es el más ampliamente utilizado de las tres tecnologías de telefonía digital inalámbrica (TDMA, GSM y CDMA).

Este sistema digitaliza y comprime los datos y luego los envía por un canal con otros dos flujos de datos del usuario, cada uno a su propio tiempo. En telefonía, GSM opera ya sea en la banda de frecuencia de 900 ó 1800 MHz, sin embargo, terminales portátiles como la HHP Dolphin 9500 cuentan con capacidades WWAN GSM/GPRS de tres bandas: 900, 1800 y 1900 MHz.

GSM es el sistema de telefonía celular popular y tiene más de 120 millones de usuarios a nivel mundial, estando disponible en 120 países, y ya que muchos operadores de redes GSM tienen acuerdos de "roaming" con operadores extranjeros, es común que los usuarios puedan continuar usando sus teléfonos celulares cuando viajan a otros países.

GSM junto con otras tecnologías es parte de una evolución de la telecomunicación inalámbrica que incluye además a la tecnología GPRS (del inglés, General Packet Radio Services, traducido al español es Paquetes Generales de Servicios de Radio).

En la comunicación inalámbrica (GSM) para el intercambio de datos, información de voz y mensajería SMS, se puede realizar mediante dos formas que son las siguientes:

 Comunicación vía GPRS.

(43)

30

2.6.1 Comunicación vía GPRS (Servicio General de Paquetes Vía Radio).

GPRS es un servicio de comunicación inalámbrica basado en el uso de paquetes de información que promete velocidades de transmisión de datos de 56 hasta 114 Kbps y una conexión continua a internet para los usuarios de teléfonos celulares y computadoras portátiles, dentro de las cuales, por supuesto se incluyen las terminales portátiles de captura de datos.

Las velocidades de transmisión de datos más altas permitirán a los usuarios tomar parte en videoconferencias e interactuar con sitios web multimedia y aplicaciones similares utilizando PDA's, PDT's y notebooks por ejemplo. De hecho, la tecnología GPRS está basada en la comunicación GSM.

En teoría, la comunicación GPRS deberá costar menos a los usuarios que los servicios que utilizan "switcheo" de circuitos, ya que los canales de comunicación están siendo usados de manera compartida, según los paquetes de información lo requieran, en vez de estar dedicados a un solo usuario a la vez.

Además, con GPRS será más sencillo poner aplicaciones a la disposición de los usuarios ya que el utilizar una tasa de transmisión de datos mayor significa que ya no será necesario adaptar las interfaces de los programas para su uso por dispositivos móviles con velocidades de transmisión más lentas como se venía haciendo hasta ahora.

En la medida que la tecnología GPRS sea más difundida, los usuarios móviles de redes virtuales privadas (VPN del inglés, Virtual Private Network) estarán en la posibilidad de acceder a su red privada continuamente, en vez de hacerlo sólo a través de una conexión telefónica (conocida como dial-up). 9

(44)

31 en la evolución de un ambiente GSM de Información Enriquecida (EDGE) y el Servicio Telefónico Móvil Universal (UMTS).9

Comunicación punto a punto por medio de CSD (Circuito Conmutador de Datos).

La comunicación CSD, permite la comunicación directa entre dos módulos donde todo dato que se escriba en uno se envía al otro y viceversa, se tiene seguridad y privacidad dado que los dos equipos conectados tienen accesos al medio.

La desventaja es que se necesita tiempo para conectarse y los datos se envían mientras se esté conectado. El cargo por servicio se realiza por tiempo de conexión.

2.7 MICROCONTROLADORES

Un microcontrolador es un circuito integrado digital que contiene todos los elementos de un procesador digital secuencial síncrono programable de arquitectura Harvard o Princeton (Von Neumann). Se le suele denominar también microcomputador integrado o empotrado y está especialmente orientado a tareas de control y comunicaciones.

Por su pequeño tamaño, los Microcontroladores permiten empotrar un procesador programable en muchos productos industriales. Su costo es reducido y su consumo de energía y velocidad adaptables, resultan apropiados para numerosas aplicaciones.10

Por ser los Microcontroladores procesadores digitales secuenciales síncronos, para analizarlos es necesario conocer los conceptos básicos de los mismos, que se describen a continuación. 10 Los procesadores digitales secuenciales asíncronos tienen asociados tres conceptos principales que son:

(45)

32

 El juego de instrucciones

 Las interfaces de entrada/ salida

2.7.1 Arquitectura interna.

Se define arquitectura interna de un procesador digital como el conjunto de atributos que tienen impacto directo en la ejecución del proceso que llevan a cabo. El esquema de bloques de un procesador digital secuencial síncrono se muestra en la figura 2.8., formado por una unidad de control y una unidad operativa (camino o ruta de datos) compuesta por una unidad de memoria, una unidad aritmética y una lógica.

Figura 2.8. Esquema de bloques de un procesador digital secuencial síncrono.

(46)

33 implementación que dan lugar a procesadores digitales de arquitectura Harvard y a los de arquitectura Princeton.

2.7.2 Componentes de un microcontrolador.

Un microcontrolador combina los recursos fundamentales disponibles en un microcomputador, es decir, la unidad central de procesamiento (CPU), la memoria y los recursos de entrada y salida, en un único circuito integrado (Véase en la figura 2.9.).

(47)

34 Los Microcontroladores disponen de un oscilador que genera los pulsos que sincronizan todas las operaciones internas. El oscilador que puede ser de tipo RC, aunque generalmente se prefiere que esté controlado por un cristal de cuarzo (XTAL) debido a su gran estabilidad de frecuencia. La velocidad de ejecución de las instrucciones del programa establece una relación directa con la frecuencia del oscilador del microcontrolador.

La CPU de un microcontrolador dispone de diferentes registros, algunos de propósito general y otros para propósitos específicos. Entre estos últimos están el Registro de instrucción, el acumulador, el Registro de Estado, el Contador de programa, el Registro de Direcciones de Datos y el Puntero de la Pila.11

 El Registro de instrucción (RI) almacena la instrucción que está siendo ejecutada por la CPU.

 El acumulador (ACC: Accumulator) es el registro asociado a las operaciones aritméticas y lógicas que se pueden realizar.10

 El Registro de Estado (STATUS) agrupa los bits indicadores de las características del resultado de las operaciones aritméticas y lógicas realizadas.

 El Contador de Programa (PC: Program Counter) es el registro de la CPU donde se almacenan direcciones de instrucciones. Cada vez que la CPU busca una instrucción en la memoria, el PC se incrementa, apuntando así a la siguiente instrucción.

 El Registro de Direcciones de Datos (RDD) almacena direcciones de datos situados en la memoria. Este registro es indispensable para el direccionamiento indirecto de datos en la memoria. El RDD toma diferentes nombres según el microcontrolador.

(48)

35 volátil, es decir, pierde la infromacion almacendad cuando falta la energía que alimenta la memoria. La memoria ROM es una memoria de solo lectura y no volátil. 10

La entrada y salida es particularmente importante en los microcontroladores, pues a través de ella el microcontrolador interacciona con el exterior. Forman parte de la entrada y la salida los puertos paralelo y serie, los temporizados y la gestión de las interrupciones.

El microcontrolador puede incluir también entradas y salidas analógicas asociadas a convertidores A/D y D/A. Los puertos paralelos se organizan en grupos de hasta 8 líneas de entradas y salidas digitales. Normalmente es posible manipular individualmente las líneas de los puertos paralelos. Los puertos en serie pueden ser de varios tipos, según la norma de comunicación que implementen: RS-232, USB, Ethernet, etc.10

2.8 COMANDOS AT

Los comandos AT, también conocidos como comandos Hayes (en honor a su desarrollador Dennis Hayes), son una serie de instrucciones que conforman un interfaz de comunicación entre usuario y modem.

Su abreviatura AT por la que son mundialmente conocidos estos comandos

proviene de la palabra ‘attention’.

Aunque la finalidad principal de los comandos AT fue la comunicación con módems, la telefonía móvil GSM/GPRS también adoptó este lenguaje como estándar de comunicación.

(49)

36 un número de teléfono, enviar o leer un SMS, consultar el estado de conexión a la red, leer o escribir en la agenda de contactos, etc.

Gracias a que la transmisión de comandos AT no depende del canal de comunicación a través del cual estos sean enviados (cable, infrarrojos, Bluetooth, etc.), es posible utilizar un microcontrolador para transmitir dichos comandos a un módulo GPRS/GSM que sea capaz de interpretarlos y actuar en consecuencia. Como son muchos los comandos existentes, se mencionaran los siguientes:

● AT+IPR=<velocidad> Este comando determina la velocidad de datos de la asistencia técnica en la interfaz serie. La velocidad de transmisión por segundo pueden ser 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 y 115200 baudios.

● AT+CMGF=1 – A través de este comando se realiza la selección de modo texto (1 modo texto).

● AT+CMGR=? – Por medio de este comando se hace una solicitud de asistencia técnica de revisión del software del producto para la versión de identificación de texto, responde un OK.

● AT+CNMI=<mode>, <mt>, <bm>, <ds>, <bfr> – Este comando selecciona el procedimiento para la forma de recepción de nuevos mensajes de la red (Tabla 2.2.).

(50)

37

Tabla 2.2. Parámetros para el comando AT+CNMI.

<mode> <mt> <bm> <ds> <bfr> 0 Búfer no solicita

códigos de resultado, si está

lleno el búfer las indicaciones son sustituidas por el nuevo recibido. No ofrece indicaciones cuando son enviados. Las indicacion es CBM son enviadas. No hay mensaje de reporte de estado. No solicita código de resultados definido dentro de este comando. 1 Deseche indicación

y rechazar nuevo mensaje recibido no

solicitado.

Se almacena el mensaje, se posiciona en la memoria de enviados. CBM son enviados directame nte, uso de código de resultado.

Se envía el mensaje de reporte de estado. No solicita código de resultado definido dentro de este comando

y se borra cuando se introduce

(<mode

1…3>).

2 Búfer no solicita códigos, enlace

reservado.

Entrega de mensaje.

3 Utilizada para insertar códigos de resultado cuando se

encuentra en línea en modo de datos.

Ofrece mensajes que

son enviados en diferente

(51)

38

2.9 COMUNICACIÓN SERIAL

La comunicación serial es una forma de comunicación muy común (no hay que confundirlo con el Bus Serial de comunicación o USB) para la comunicación entre dispositivos incluye de manera estándar prácticamente cualquier computadora. La comunicación serial puede ser utilizada para la adquisición de datos si se usa en conjunto con un dispositivo remoto de muestreo.

El puerto serial envía y recibe bytes de información un bit a la vez, Aun cuando esto es más lento que la comunicación en paralelo, permite la trasmisión de un byte completo por vez, este método de comunicación es más sencillo y puede alcanzar grandes distancias.12 Para transmitir se utilizan 3 líneas de transmisión:

(1) Tierra (2) Transmitir (3) Recibir

Las características más importantes de la comunicación serial son la velocidad de transmisión, los bits de datos, los bits de parada y paridad. Para que dos puertos se puedan comunicar es importante que las características sean iguales.

Velocidad de transmisión (baud rate).

Indica el número de bits por segundo que se transfieren, y se mide en baudios (bauds). Cuando se hace referencia a los ciclos de reloj se está hablando de la velocidad de transmisión.

Es posible tener velocidades altas, pero se reduciría la distancia máxima posible entre los dispositivos, como los son 128000, 153600, 230400, 256000, 230400, 256000, 460800 y 921600.

(52)

39 Las velocidades de transmisión serial estándar son 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 56000, 57600 y 115200.

Bits de datos.

Se refiere a la cantidad de bits en la transmisión. Cuando la computadora envía un paquete de información, el tamaño de ese paquete no necesariamente será de 8 bits. Las cantidades más comunes de bits por paquetes son 5, 7 y 8 bits. El número de bits que se envía depende en el tipo de información que se transfiere. Un claro ejemplo es el código ASCII estándar tiene un rango de 0 a 127, es decir, utiliza 7 bits; para ASCII extendido es de 0 a 255, lo que utiliza 8 bits.11

Un paquete se refiere a una trasferencia de byte, incluyendo los bits de inicio/ parada, bits de datos, y paridad.

Bits de parada.

Son usados para indicar el fin de la comunicación de un solo paquete, los valores típicos son 1, 1.5 o 2 bits. Debido a la manera como se transfiere la información a través de las líneas de comunicación y que cada dispositivo tiene su propio reloj, es posible que los dos dispositivos no estén sincronizados.

Paridad.

(53)

40

CAPITULO 3.

SELECCIÓN DE

(54)

41

3.1. DISEÑO CONCEPTUAL

Se tienen las siguientes dos diseños para la solución del sobrecalentamiento de la batería qua alimenta al restaurador.

Este proyecto tiene como fin subsanar los problemas:

 Disminuir el aumento de temperatura en ciertas horas del día.

 Incrementar el tiempo de vida reducido de la batería que alimenta el restaurador.

Partiendo del problema anteriormente planteado, se propone dos sistemas el primero basado en la activación de dos ventiladores colocados en la parte superior del gabinete como se puede observar en la figura 3.1., además de un actuador lineal que permite la apertura de la tapa superior para expulsar el aire caliente como se puede observar en la figura 3.2. y la figura 3.3., estos están activados hasta que la temperatura en el interior del gabinete se encuentre en el rango deseable y evitar daños en la batería.

Como solución se propone utilizar un arreglo con los siguientes elementos:

 Ventiladores para la extracción del aire caliente del interior del gabinete.  Sensor de temperatura que permita saber cuándo la batería, se encuentra en

un rango perjudicial para la batería.

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42 3.1. Perforaciones para liberar el aire caliente por medio de ventiladores.

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43 3.3. Vista trasera de apertura de la tapa superior del gabinete.

Otra solución está basada en un sistema de aire forzado basado en la entrada de aire pasando por las persianas en el conducto adaptado en la parte inferior izquierdo en donde se conecta el primer ventilador para realizar la recirculación de aire, por lo tanto el aire caliente sube y al llegar a la segundo ventilador se extrae el aire caliente en el interior del gabinete permitiendo la liberación por medio del segundo conducto instalado en la parte superior derecha del restaurador.

(57)

44 Figura 3.4. Diseño Físico del proyecto.

En la figura 3.5 muestran las vistas laterales del restaurador.

a) b)

(58)

45

a) b)

Figura 3.5. a) Ventilador 1 instalado; b) Ventilador 2 instalado Este proyecto tiene como fin subsanar los problemas:

 Mantener la temperatura en el interior del gabinete en un rango considerable.

 Tiempo de vida reducido de la batería que alimenta el restaurador por exceso de temperatura

Para ejecutar la primera solución, se propone utilizar un arreglo con los siguientes elementos:

 Ventiladores para la extracción del aire caliente del interior del gabinete.  Sensor de temperatura que permita saber cuándo la batería, se encuentra en

un rango perjudicial para la batería.

 Unidad para mensaje vía GPRS, la cual le ayudara al operador saber la temperatura que hay dentro del módulo; apertura o cierre de puerta de forma eléctrica, saber la tensión que aún conserva la batería y además recibir una señal de alerta en caso de que la seguridad sea violada.

(59)
(60)

47 El sistema en su conjunto debe de funcionar de la siguiente manera:

Cuando el sensor detecte un nivel de temperatura fuera de rango (20-22°C) el cual quedara establecido de acuerdo a la temperatura máxima que soporta una batería, este mandara una señal al microcontrolador, que a su vez enviara una señal de control a través de la etapa de potencia para accionar los ventiladores y la etapa de potencia para el accionamiento del actuador lineal que permite la apertura para la liberación del aire.

Un operador podrá monitorear o consultar constantemente la temperatura y la tensión que proporciona la batería, a través de mensajes vía GPRS.

Una manera de aumentar la seguridad del módulo que contiene al restaurador, será a través de una cerradura electromecánica que solo se abrirá si se manda un mensaje vía GPRS desde el Mando Central de Control o desde el teléfono de un operador.

3.2. MICROCONTROLADOR

Para la selección del microcontrolador adecuado para este proyecto se realizó un análisis el cual se puede ver en la tabla comparativa 3.2., tomando como mejor opción realizar la programación con el microcontrolador Arduino UNO.

ARDUINO

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48 programarla con éste y posteriormente desconectarla para trabajar de forma autónoma.

Arduino cuenta con varias tarjetas microcontroladoras, cada una con diversas características, dependiendo del tamaño y diseño, que permiten adaptarse a la realización de los diferentes proyectos. 13

Arduino UNO

El Arduino Uno está basada en el controlador ATmega328. Cuenta con 14 pines digitales de entrada/salida (de los cuales 6 pueden utilizarse para salidas PWM), 6 entradas analógicas, un oscilador cerámico (cristal) de 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reinicio (véase en la figura 3.7. y su ficha técnica en la tabla 3.1.).14

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49 Tabla 3.1. Ficha técnica del Arduino UNO.

Microcontroladores ATmega328P

Tensión de funcionamiento 5V

Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V

Voltaje de entrada (límite) 6-20V

Digital pines I / O 14 (de las cuales 6 proporcionan salida PWM)

PWM digital pines I / O 6

Pines de entrada analógica 6

Corriente DC por E / S Pin 20 mA

Corriente DC de 3.3V Pin 50 mA

Memoria flash 32 KB (ATmega328P)

de los cuales 0,5 KB utilizado por el gestor de arranque

SRAM 2 KB (ATmega328P)

EEPROM 1 KB (ATmega328P)

Velocidad de reloj 16 MHz

Largo 68,6 mm

Ancho 53.4 mm

Peso 25

La tarjeta Arduino UNO es la que se adapta para la realización de este proyecto debido a su costo, al soporte de las librerías y compatibilidad con la SIM900. Los puertos de entrada y salidas, así como la capacidad de memoria son suficiente para conectar los diferentes dispositivos necesarios para el proyecto. Para la programación se utiliza Arduino 1.6.5.(Figura 3.8.).

Arduino Software 1.6.5.

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50

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51 Para la selección del microcontrolador se realizó un análisis el cual se puede ver en la tabla comparativa 3.2., por lo que se podría utilizar el Arduino Uno.

Tabla 3.2. Tabla comparativa de microcontroladores

Microcontrolador Capacidad de memoria (flash)

Canales analógicos

Tensión de alimentación

Instrucciones por segundo

Costo de placa demo

Compatibilidad con la SIM

Soporte en librerías

Asignación Modular

Arduino UNO 32 KB (ATmega328P) 6 5V a 12V 20 MIPS $ 380 Si Si Si

Freescale HCS08 4-60KB 16 2.5V a 5.5V 20 MIPS $ 1200 Si No No

PIC 16F8xx 512 -1KB 8 2V a 6V 20 MIPS $ 400 Si No No

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52

3.3. GPRS SHIELD

Para este proyecto se requiere una tarjeta que permita utilizar los sistemas de comunicación móviles para poder interactuar a distancia con la plataforma. Se pueden encontrar varias tarjetas o Shields que han sido diseñadas para ofrecer servicios a través de los sistemas GSM, GPRS, 3G, GPS o una combinación de ellos.

Se realizó un análisis de las posibles Shields que se podrían utilizar, dicha información se encuentra en la tabla 3.3. La tarjeta seleccionada para este proyecto es un módulo GPRS/GSM (SIM 900).

Módulo GPRS/GSM (SIM 900).

Esta tarjeta está basada en la conexión GPRS / GSM, la cual proporciona una manera de utilizar la red de telefonía celular GSM para recibir datos desde una ubicación remota, esto a través de cualquiera de los tres métodos:

 Servicio de mensajes cortos  Audio

 Servicio GPRS

Esta tarjeta GPRS es compatible con todas las tarjetas que tienen el mismo factor de forma (y pinout) como una tarjeta Arduino estándar.

(66)

53 Figura 3.9. Componentes de Sim 900.

La shield que se utiliza en este proyecto es la SIM 900, debido a que la SIM 908 se utiliza para la tecnología GPS, la cual no es necesaria en el proyecto debido a que no se requiere saber la ubicación del restaurador, por otra parte la SIM 5218 es una tarjeta muy completa pero la que se necesita debe ser una que sea compatible en formato y librerías además de que sea económica y esta tarjeta es de un precio elevado, es por eso que requiere solo la comunicación GPRS/GSM y se utiliza una SIM900.

Sim Card

La Sim Card es una tarjeta inteligente plástica, la cual es insertada en un teléfono GSM, en esta tarjeta se guarda el número de línea, datos personales, mensajes de texto y agenda, la Sim Card que es posible utilizar para este proyecto puede ser de cualquier compañía, las modalidades que están disponibles son:

 Tarjeta SIM de 64Kb.

 Tarjeta SIM micro de 128Kb.  Tarjeta SIM de 128Kb.

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54

Tabla 3.3. Comparación de las diferentes tarjetas o Shields

Tarjetas Shields Funciones Precio

Módulo GPRS QUADBAND

Enviar mensajes

Realizar llamadas perdidas a otros móviles

$1540.63

Módulo GPRS+GPS (SIM 908)

Enviar mensajes

Utilizar la tecnología GPS para posicionamiento en tiempo real

$1773.51

Módulo 3G/GPRS+GPS (SIM 5218)

Servicios 3G Enviar mensajes

Utilizar la tecnología GPS para posicionamiento en tiempo real

$2669.22

Módulo GPRS/ GSM (SIM900)

Establecer llamadas con otros dispositivos móviles

Enviar mensajes

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55

3.4. SENSOR DE TEMPERATURA

Existe gran variedad de sensores de temperatura pero principalmente se podrían utilizar los siguientes:

 Sensor de temperatura digital “DS18B20”

Sensor de temperatura analógico “TMP36”  Sensor de temperatura analógico “LM35”

Se tomaron estas opciones de sensores debido a que estos manejan valores de temperatura parecidos, además de que son sensores compactos.(Véase en la tabla 3.5.)

Sensor de temperatura analógico LM35.

El LM35 (figura 3.8) es un dispositivo de temperatura de precisión, es un circuito integrado con una tensión de salida linealmente proporcional a la temperatura en grados centígrados.

Tiene un rango de temperatura de -55°C a 150°C. Por lo que es un sensor adecuado para este proyecto (véase en la figura 3.10.).

Características:

 Calibrada directamente en grados Celsius (centígrados)  Lineal + 10 mV / ° C Factor de Escala

 0.5°C precisión asegurada (a 25°C)  Clasificado para rango de -55°C a 150°C  Adecuado para aplicaciones remotas  Bajo Costo Debido a la oblea Nivel Recorte  Funciona con 4 V a 30V

 Menos de 60 µA Consumo de corriente

(69)

56 En la tabla 3.4. se muestra cuanto equivale la salida de mV a grados centígrados.

Tabla 3.4. Equivalencia de mV a ºC. Sensor de Temperatura LM35

Vout

mV ºC

1500 150

250 25

-550 -55

Figura 3.10. Sensor de temperatura LM35.

Tabla 3.5. Comparación de sensores de temperatura.

Sensor Rango de temperatura Rango de alimentación Costo

DS18B20 -55ºC a +125ºC 3V a 5.5V $95

LM35 -55ºC a +150ºC 4V a 30V $35

Figure

Figura 1.1. Paquete de pilas de 12V a 8Ah.
Tabla 3.6. Características del ventilador NMB.
Figura 3.12. Regulador de tensión 7805CT
Tabla 3.7. Temperaturas de operación.
+7

Referencias

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