UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
MONITOREO Y CONTROL DEL CONSUMO DE ENERGÍA
ELÉCTRICA EN EDIFICACIONES RESIDENCIALES
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
VLADIMIR ANDRÉS CHALÁN PADILLA
DIRECTOR: ING. ANÍBAL MANTILLA MSC.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1722307574
APELLIDO Y NOMBRES: Chalán Padilla Vladimir Andrés
DIRECCIÓN: Bonifaz Cumba N58-32 y Av. Luis Tufiño
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022414226
TELÉFONO MOVIL: 0992658811
DATOS DE LA OBRA
TITULO: MONITOREO Y CONTROL DEL
CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EDIFICACIONES RESIDENCIALES
AUTOR O AUTORES: CHALAN PADILLA VLADIMIR ANDRES
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: Marzo 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: ING. ANIBAL MANTILLA MSC
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA:
INGENIERO MECATRÓNICO
RESUMEN: El presente trabajo muestra el diseño y
construcción de un equipo dedicado al monitoreo de la energía eléctrica y el control autónomo de luminarias en una residencia. El sistema se basó en tecnología de comunicación inalámbrica, procesamiento de datos y sistemas de control digital. El equipo se compuso de una unidad central, cuatro unidades periféricas de medición y dos unidades periféricas de control de luminarias. La unidad central tiene una pantalla TFT táctil, en la cual se despliegan 4 páginas, dos de monitoreo instantáneo, una de historiales y una de control de luminarias; también tiene su placa electrónica para el funcionamiento de los demás
componentes. De igual manera, las unidades periféricas de medición se componen de sensores de voltaje y corriente, dichas unidades periféricas envían inalámbricamente los valores recolectados a la unidad central. Las unidades periféricas de control de luminarias se componen de un circuito de control de potencia, estas unidades periféricas reciben de manera inalámbrica el valor del setpoint del controlador el cual es establecido desde la unidad central. El desarrollo del trabajo se lo hizo siguiendo una metodología para el enfoque en prototipo. En el trabajo se muestra el diseño electrónico, el diseño de las interfaces de la pantalla y la selección de algunos componentes necesarios para el desarrollo del equipo. El sistema permitió un adecuado monitoreo de la energía eléctrica en la residencia, puesto que se pudo visualizar datos de voltaje, corriente, potencia instantánea, consumo energético; lo que conllevó un decremento en el consumo energético durante la implementación y gracias a la interfaz intuitiva del sistema se logró promover el ahorro energético en un 7.59 % y por ende, un ahorro económico, también se creó conciencia energética en los habitantes de la residencia. Cabe recalcar que las unidades periféricas de medición pudieron medir valores de voltaje AC de hasta 220V y cargas que no superen los 30 A por cada unidad periférica; se logró que los sensores tengan un error relativo promedio de 0.144 % en cuanto a voltaje y un 0.378 % en cuanto a corriente.
PALABRAS CLAVES: Consumo, energía, residencia, monitoreo,
control, potencia, corriente, voltaje, dispositivo.
ABSTRACT: The design and construction of a device
based on wireless technology, data processing and digital control systems. The device has one central unit, four measuring peripheral units and two peripheral luminaire control units. The central unit has a TFT display, four pages are deployed, two instantaneous monitoring pages, a historical data page and a luminaire control page. It also has its own printed circuit board. The measuring peripheral units got a voltage and a current sensor, these units send the data wirelessly to the central unit. The peripheral luminaire control units are composed by a power control circuit; they also get the data of the controller setpoint from the central unit. The development of the work was done following a methodology for the approach in prototype. The work shows the electronic design, the design of the interfaces of the screen and the selection of some components necessary for the development of the equipment. The system allowed an adequate monitoring of the electrical energy in the residence, since it could visualize data of voltage, current, instant power, energy consumption. Which led to a decrease in energy consumption during the implementation and thanks to the intuitive interface of the system was able to promote energy savings by 7.59 % and therefore, an economic saving, also created energy awareness in the residents of the residence. It should be noted that the peripheral measuring units were able to measure AC voltage values up to 220V and loads not exceeding 30 A per peripheral unit; It was possible that the sensors have an average relative error of 0.14% in terms of voltage and 0.38% in terms of current.
KEYWORDS Consumption, energy, power, voltage,
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, CHALÁN PADILLA VLADIMIR ANDRÉS, CI 1722307574 autor del proyecto titulado: Monitoreo y control del consumo de energía eléctrica en edificaciones residenciales previo a la obtención del título de INGENIERO MECATRÓNICO en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
DECLARACIÓN
Yo VLADIMIR ANDRÉS CHALÁN PADILLA, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Monitoreo y control del consumo de energía eléctrica en edificaciones residenciales”, que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
El mayor agradecimiento a mi Director de tesis, Ing. Anibal Mantilla MSc. Por todo el apoyo, confianza, paciencia y gran voluntad durante el desarrollo del
trabajo de titulación. De igual manera agradecerle por haber confiado en mí para la realización de este proyecto.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
1. INTRODUCCIÓN ... 3
2. METODOLOGÍA Y DISEÑO ... 7
2.1. ANÁLISIS DEL PROBLEMA ... 7
2.2. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ... 8
2.3. DISEÑO DEL SISTEMA ... 8
2.3.1. DISEÑO ELECTRÓNICO ... 9
2.3.2. DISEÑO DEL SOFTWARE ... 27
2.4. DESARROLLO DE PROTOTIPOS Y PRUEBAS ... 29
2.4.1. PROTOTIPO EN ETAPAS INICIALES DE DESARROLLO Y PRUEBAS ... 29
2.4.2. DISEÑO DE LAS PCB ... 29
2.4.3. PROTOTIPO EN ETAPAS FINALES DE DESARROLLO Y PRUEBAS ... 31
2.4.4. PRUEBAS ... ...32
2.5. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO Y EMPLAZAMIENTO ... 34
2.5.1. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO ... 34
2.5.2. EMPLAZAMIENTO DEL EQUIPO EN LA RESIDENCIA ... 35
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 40
3.1. ANÁLISIS DE RESULTADOS DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS UNIDADES PERIFÉRICAS DE MEDICIÓN ... 40
3.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS DEL FUNCIONAMIENTO DE LA UNIDAD CENTRAL... 40
3.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA EN LA RESIDENCIA ... 40
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 43
ii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Características de pantallas TFT ... 10
Tabla 2. Especificaciones técnicas del microcontrolador Atmega 328 y del PIC16F877A ... 11
Tabla 3. Especificaciones técnicas del módulo nRf24l01 y del XBee S2 .. 11
Tabla 4. Características electrónicas del sensor de corriente ACS712T y del SCT-013-030. ... 12
Tabla 5. Características electrónicas del sensor de luz BH1750 y del ISL76671 ... 13
Tabla 6. Especificaciones eléctricas del opto acoplador 4N25 ... 19
Tabla 7. Especificaciones eléctricas del triac BT136 ... 21
Tabla 8. Especificaciones eléctricas del opto acoplador MOC 3021 ... 21
Tabla 9. Mediciones de voltaje realizadas con el equipo de monitoreo y determinación de la desviación respecto al valor de referencia ... 32
Tabla 10. Mediciones de corriente realizadas con el equipo de monitoreo y determinación de la desviación respecto al valor de referencia ... 33
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Dispositivo de monitoreo energético en el hogar marca Curb .... 4
Figura 2. Dispositivo de monitoreo energético en el hogar marca Efergy ... 4
Figura 3. Dispositivo de control de luz mediante tecnología bluetooth ... 6
Figura 4. Metodología para en enfoque en prototipo ... 7
Figura 5. Arquitectura del sistema ... 9
Figura 6. Esquema electrónico de la unidad central ... 15
Figura 7. Menú principal de la interfaz ... 16
Figura 8. Pantalla de histograma de la interfaz ... 16
Figura 9. Pantalla de control de luminarias de la interfaz ... 17
Figura 10. Pantalla de historiales de la interfaz ... 17
Figura 11. Esquema electrónico de las unidades periféricas ... 18
Figura 12. Pulso de voltaje en la compuerta del triac para control de conversor AC/AC y el flujo de potencia a la carga ... 19
Figura 13. Diagrama de aplicación típica del MOC 3021 en un circuito de control de potencia ... 22
Figura 14. Diagrama electrónico del circuito de las unidades periféricas de control de luminarias ... 23
Figura 15. Curva de comportamiento del bump test del proceso de control de potencia ... 24
Figura 16. Curva de la respuesta del sistema con la implementación del controlador PI ... 26
Figura 17. Sistema resultante del proceso de diseño ... 26
Figura 18. Diagrama de flujo del algoritmo de la unidad central ... 27
Figura 19. Diagrama de flujo del algoritmo de las unidades periféricas de medición ... 27
Figura 20. Diagrama de flujo del algoritmo de las unidades periféricas de control de luminarias ... 28
iv
PÁGINA Figura 22. Prototipo en etapas iniciales de desarrollo y pruebas con la unidad principal y 2 periféricas ... 29
Figura 23. Diagrama del diseño del PCB de la unidad central ... 30
Figura 24. Diagrama del diseño del PCB de las unidades periféricas de control de luminarias ... 30
Figura 25. Diagrama del diseño del PCB de las unidades periféricas de Medición ... 31
Figura 26. Prototipo en etapas finales de desarrollo y pruebas con la
unidad central y 2 unidades periféricas ... 31
Figura 27. Equipo de monitoreo y control de la energía eléctrica ... 35
Figura 28. Detalle de dispositivos del equipo de monitoreo y control ... 35
Figura 29. Planos de la planta alta de la residencia con detalle del
emplazamiento de las unidades periféricas ... 36
Figura 30. Planos de la planta baja de la residencia con detalle del
emplazamiento de las unidades periféricas ... 37
Figura 31. Unidad periférica de control de luminarias implementada en el pasillo de entrada de la residencia ... 38
Figura 32. Unidad periférica de medición implementada en la habitación 1 de la residencia ... 39
Figura 33. Unidad periférica de control de luminarias con su controlador al 50% de iluminación ... 42
v
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA Anexo 1. Auditoría Energética en la residencia ... 48
1
RESUMEN
El presente trabajo muestra el diseño y construcción de un equipo dedicado al monitoreo de la energía eléctrica y el control autónomo de luminarias en una residencia. El sistema se basó en tecnología de comunicación inalámbrica, procesamiento de datos y sistemas de control digital. El equipo se compuso de una unidad central, cuatro unidades periféricas de medición y dos unidades periféricas de control de luminarias. La unidad central tiene una pantalla TFT táctil, en la cual se despliegan 4 páginas, dos de monitoreo instantáneo, una de historiales y una de control de luminarias; también tiene su placa electrónica para el funcionamiento de los demás componentes. De igual manera, las unidades periféricas de medición se componen de sensores de voltaje y corriente, dichas unidades periféricas envían inalámbricamente los valores recolectados a la unidad central. Las unidades periféricas de control de luminarias se componen de un circuito de control de potencia, estas unidades periféricas reciben de manera inalámbrica el valor del setpoint del controlador el cual es establecido desde la unidad central. El desarrollo del trabajo se lo hizo siguiendo una metodología para el enfoque en prototipo. En el trabajo se muestra el diseño electrónico, el diseño de las interfaces de la pantalla y la selección de algunos componentes necesarios para el desarrollo del equipo. El sistema permitió un adecuado monitoreo de la energía eléctrica en la residencia, puesto que se pudo visualizar datos de voltaje, corriente, potencia instantánea, consumo energético; lo que conllevó un decremento en el consumo energético durante la implementación y gracias a la interfaz intuitiva del sistema se logró promover el ahorro energético en un 7.59 % y por ende, un ahorro económico, también se creó conciencia energética en los habitantes de la residencia. Cabe recalcar que las unidades periféricas de medición pudieron medir valores de voltaje AC de hasta 220 V y cargas que no superen los 30 A por cada unidad periférica; se logró que los sensores tengan un error relativo promedio de 0.14 % en cuanto a voltaje y un 0.38 % en cuanto a corriente.
Palabras Claves
2
ABSTRACT
The design and construction of a device dedicated to the electrical energy monitoring and the control of autonomous luminaires on a residence is showed up in the present work. The system was based on wireless technology, data processing and digital control systems. The device has one central unit, four measuring peripheral units and two peripheral luminaire control units. The central unit has a TFT display, four pages are deployed, two instantaneous monitoring pages, a historical data page and a luminaire control page. It also has its own printed circuit board. The measuring peripheral units got a voltage and a current sensor, these units send the data wirelessly to the central unit. The peripheral luminaire control units are composed by a power control circuit; they also get the data of the controller setpoint from the central unit. The development of the work was done following a methodology for the approach in prototype. The work shows the electronic design, the design of the interfaces of the screen and the selection of some components necessary for the development of the equipment. The system allowed an adequate monitoring of the electrical energy in the residence, since it could visualize data of voltage, current, instant power, energy consumption. Which led to a decrease in energy consumption during the implementation and thanks to the intuitive interface of the system was able to promote energy savings by 7.59% and therefore, an economic saving, also created energy awareness in the residents of the residence. It should be noted that the peripheral measuring units were able to measure AC voltage values up to 220V and loads not exceeding 30 A per peripheral unit; It was possible that the sensors have an average relative error of 0.144% in terms of voltage and 0.378% in terms of current.
Key Words
3 El desperdicio de energía ha sido uno de los principales problemas alrededor del mundo, el problema radica en que las personas carecen de un conocimiento del desperdicio de energía en su edificación o residencia. Entre el 30 y el 50% de energía facturada en edificios y hogares es desperdiciada (Bartlett, 2015).
Para el año 2025, se pronostica que los edificios serán los mayores consumidores de energía, superando al sector industrial y de transporte, debido a la inexistencia de una planificación del sistema eléctrico en edificios y residencias, lo cual desencadena pérdida de energía, desperdicio de energía, cortocircuitos, sobrecargas de voltaje, inadecuada protección de sistemas y equipos. (Bartlett, 2015).
Con la construcción e implementación de equipos de monitoreo y control de la energía eléctrica, se podrá evitar desperdicios de energía y a su vez, se generará un ahorro económico. Al tener un sistema de monitoreo en el hogar, los habitantes de la residencia podrán tomar medidas correctivas al ver su consumo diario o semanal. Logrando así, que la residencia tenga una eficiencia energética.
Culturalmente, el Ecuador no ha sido un país donde la eficiencia energética sobresalga, sin embargo últimamente las personas están al tanto sobre el problema que refleja el desperdicio de energía y están tratando de mejorar el manejo de la energía. El uso ineficiente de la energía se manifiesta en pérdidas económicas, pérdida de potencia durante horas pico, daños al medio ambiente, puesto que se debe generar mayor energía, calentamiento global (Murillo, 2015) y muchas otras consecuencias negativas.
El sector energético ideal se compone de una suficiencia energética y del poder renovar la misma, la cual se construye sobre una gestión de provisión y un eficiente consumo, además de que todo debe estar ligado directamente a la sostenibilidad del ecosistema. Se obtiene eficiencia energética cuándo se crea un óptimo aprovechamiento de la energía, sin disminuir la calidad, con el fin de obtener los mismos servicios, bienes y el poder hacer las mismas o inclusive más actividades con un menor subministro de energía (MEER, 2015).
4 Hoy en día, el monitoreo de la energía eléctrica en hogares, edificios e industrias es algo muy común, en el mercado internacional hay una gran cantidad de equipos que realizan esta actividad, empezando por pequeñas pantallas que muestran la potencia consumida al momento hasta aplicaciones dedicadas a nuestros smartphones donde se puede monitorear en tiempo real y obtener historiales de consumo (Smappee, 2015). Hay varias maneras de medición y monitoreo, puede ser con data loggers, un monitoreo remoto en tiempo real o en datos históricos de las mediciones realizadas. Las muestras realizadas para el monitoreo de energía eléctrica por lo general comprenden corriente y voltaje, con estos datos obtenidos se los procesa con el tiempo de operación y se obtiene el consumo en KWh (ONSET, 2015).
Actualmente, hay equipos electromecánicos, digitales e inteligentes para el monitoreo de la energía en hogares. En la Figura 1 se muestra un equipo inteligente de medición, el cual se conecta a la caja de contactores de la residencia o al cable de la fase principal del hogar. Este equipo brinda la oportunidad de enlazar varios dispositivos tales como PC, smartphone y tablet, para una mejor presentación de los datos obtenidos (LLC, 2015). Este equipo provee al usuario información de donde se dirige la electricidad, como está siendo usada y cuál es el costo de la próxima planilla de luz (Curb, 2016).
Figura 1. Dispositivo de monitoreo energético en el hogar marca Curb (Curb, 2016)
5
Figura 2. Dispositivo de monitoreo energético en el hogar marca Efergy
(Curb, 2016)
Ambos equipos poseen tecnología inalámbrica de comunicación y constan de una pantalla LCD la cual despliega la potencia usada en kilowatts, el costo en dólares y centavos, consumos picos en un periodo de 24 horas, temperatura ambiente dentro de la residencia entre otros.
La mayoría de los sistemas de monitoreo de la energía eléctrica existentes en el mercado internacional se los ubica en las líneas principales de electricidad y en cargas críticas (Efergy, 2016). La ubicación de los medidores dependen del usuario o de los requerimientos del proyecto, es por eso que el equipo construido en este trabajo tiene unidades periféricas de medición que pueden ser emplazadas en distintas zonas de la residencia conforme los requerimientos del usuario.
En el campo de las soluciones para la gestión de la energía eléctrica los sensores más usados para el monitoreo de consumo energético, son los sensores de corriente alterna o directa. Dichos sensores pueden ser de Efecto Hall, transformadores, resistores Shunt o de tipo Fluxgate (Danvis, 2014). Posteriormente al monitoreo viene el control, el cuál juega un papel muy importante para la obtención de eficiencia energética, en una residencia los aspectos susceptibles a ser controlados son las luces y los artefactos de calefacción o enfriamiento, estos pueden encenderse en su totalidad o a la mitad de su capacidad dependiendo de los factores externos como temperatura y luminosidad (Helios, 2015).
6 El control se lo hace desde un controlador principal en el cual se establece las zonas y los requerimientos del usuario (Helios, 2015).
La Figura 3 muestra un equipo de control de luminarias, el control se lo hace desde una aplicación para Android o IOS. La conectividad es bluetooth y el equipo es capaz de controlar hasta 2A de carga.
Figura 3. Dispositivo de control de luz mediante tecnología bluetooth
(Jasco, 2016)
Cabe recalcar que el equipo desarrollado en este proyecto es la unión de un equipo de monitoreo y de control. Es decir que se puede monitorear la energía y a la vez controlar luminarias, dicho control de luminarias consta de un ajuste de la intensidad luminosa, la cual de igual manera varía dependiendo de la luz ambiente. Uno de los puntos más importantes es que el equipo es construido y diseñado en su totalidad en el país, usando elementos y componentes electrónicos fabricados en el exterior.
El objetivo general de este proyecto es diseñar e implementar el sistema de monitoreo y control del consumo de energía eléctrica en edificaciones residenciales.
Los objetivos específicos de este trabajo son:
1. Realizar una auditoría de energía eléctrica en la residencia. 2. Diseñar el sistema de monitoreo y control
3. Integrar la pantalla HMI al sistema
4. Implementar el sistema de monitoreo y control en la residencia.
7 Para el presente proyecto se utilizó una metodología conocida como enfoque en prototipo. Esta metodología fue la que mejor se adaptó al proyecto puesto que abarcó un desarrollo de software tanto como de una implementación y desarrollo de hardware, como se puede apreciar en la Figura 4, la metodología parte en base a un análisis del problema, un establecimiento de los diferentes tipos de requerimientos, procediendo a un diseño del sistema, desarrollo de prototipos, la construcción del equipo y el emplazamiento.
(Sigwart, 2004)
2.1 ANÁLISIS DEL PROBLEMA
Para el proyecto se requirió de un análisis del consumo energético en la residencia donde se implementó el sistema. Para adquirir la información necesaria se realizó una auditoria energética como se muestra en el Anexo 1. Los resultados obtenidos tras la auditoría energética mostraron que la residencia carece de una planificación del sistema eléctrico, siendo este el principal problema debido a la no existencia de un sistema de monitoreo y de un control de la energía eléctrica, lo cual ha desencadenado en desperdicio
8 de energía, altas facturas mensuales y poca concientización en los habitantes de la misma.
Analizando el problema se obtuvo que aproximadamente el 28% del consumo eléctrico mensual es de uso de la iluminación, por lo que implementando un sistema automático de control de luminarias, reduciría el consumo energético mensual, mientras que el 72% restante corresponde al uso de otros equipos eléctricos. El consumo mensual promedio generado por iluminación es de 100.5 KWh. Y el consumo total mensual promedio es de 435.45 KWh.
2.2 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
Con el sistema de monitoreo los ocupantes de la residencia podrían ver en tiempo real el consumo y tomar medidas correctivas, por lo que se requeriría de lo siguiente:
• Unidad principal que conste de:
o Una unidad central para el control principal del sistema.
o Sistema de carga de batería con una autonomía de funcionamiento de mínimo 6 horas para que el usuario pueda tener el sistema funcionando durante la mayor parte del día sin tener que cargarlo.
o Pantalla de presentación de datos de consumo y demás de alta resolución, táctil y de tamaño compacto.
o 2 páginas de monitoreo actual, una de control de luminarias y una de datos históricos para el control de iluminación automático, puesto que facilita el monitoreo, el control y entrega al usuario todos los datos requeridos.
o Sistema inalámbrico de recepción y envío de datos.
• Unidades periféricas
o Cuatro unidades periféricas de medición, porque la residencia tiene 4 zonas de mayor concurrencia. Dichas unidades periféricas serán dedicadas para la obtención de datos de voltaje y corriente que serán enviados inalámbricamente a la unidad central para su posterior procesamiento.
o Dos unidades periféricas de control de luminarias que consten de un sistema de control de potencia y de un sistema inalámbrico de recepción de datos, de manera que se puedan controlar las cargas de iluminación importantes en dos zonas de la residencia.
2.3 DISEÑO DEL SISTEMA
9 inalámbrica de radio frecuencia, esta red posee una unidad central donde se encuentra la pantalla TFT y la placa electrónica, en esta unidad se ejecuta el lazo de control para lectura y presentación de datos; de igual manera se tiene 6 estaciones periféricas, de las cuales dos son para el control de luminarias y cuatro para la medición de corriente y voltaje. Cada uno de estos puntos periféricos consta de un sensor de corriente, uno de voltaje, un microprocesador y un dispositivo de radio frecuencia. En el caso de los periféricos de luminarias, poseen un microcontrolador, un dispositivo de radio frecuencia y el circuito para control de potencia.
Figura 5. Arquitectura del sistema
2.3.1 DISEÑO ELECTRÓNICO
2.3.1.1 Selección de componentes
• Display LCD TFT
Los parámetros para la selección de la pantalla requeridos son: su tamaño, resolución, tipo de sistema táctil, tipo de tecnología para la proyección de imágenes, tipo de comunicación, velocidad de procesamiento de imágenes, voltaje de operación, consumo, taza de baudios para comunicación, la memoria Flash y RAM.
La tabla 1 muestra las características de dos pantallas a seleccionar.
Unidad periférica 1 de medición
UNIDAD CENTRAL Unidad periférica
de control de luminaria 1
Unidad periférica 2 de medición
Unidad periférica de control de
luminaria 2
Unidad periférica 4
10
Tabla 1. Características de pantallas TFT
Modelo NX4827T043 20011D49
Resolución 480x270 pixeles 480x272 pixeles
Color 65K colores 65536 colores
Tipo de comunicación Serial Paralela de 16 bits
Taza 115200 máximo No posee
Controlador del display MD070SD SSD1963
Controlador Touch XPT2046 XPT2046
Tamaño 4.3 pulgadas 4.3 pulgadas
Voltaje de operación 5 V 3.3 V
Corriente de operación 250 mA 300 mA
Temperatura de trabajo
ideal 25 ºC 25 ºC
Memoria FLASH 16 MB 8 MB
Memoria RAM 2048 bytes No posee
Editor gráfico Editor WYSIWYG No posee
(SainSmart, 2015) ; (ITEAD, 2015)
La pantalla seleccionada es del fabricante ITEAD y el modelo es el NX4827T043. Dicha pantalla posee los parámetros requeridos. Primero por su relación costo-beneficio puesto que al ser una pantalla de comunicación serial que además incorpora su propio software de programación es mucho más rápido ponerla en marcha que a otras pantallas TFT de comunicación en paralelo y ahorra tiempo al programador gracias al editor WYSIWYG (what you see is what you get). De igual manera fue seleccionada porque trabaja a 5 V lo que facilita su polarización, tiene un menor consumo de energía, lo que ayuda en la autonomía de la batería y su tamaño de 4.3 pulgadas entrega una resolución de 480 x 270 pixeles.
• Microcontrolador
Los parámetros de selección del microcontrolador requeridos fueron: la velocidad máxima de reloj, capacidad de procesamiento, memoria interna y las características de los periféricos de comunicación.
11 20MHz, con 32 pines, 23 líneas de entrada o salida, interrupciones internas y externas, puerto serial SPI y voltaje de operación de 5V. La Tabla 2 muestra otras características técnicas (Atmel, 2014).
Tabla 2. Especificaciones técnicas del microcontrolador ATmega328 y del PIC16F877A
ATmega328 PIC16F877A
Voltaje de operación 5 V 5V
Salidas PWM 6 2
Pines entrada analógica 8 8
Corriente DC a la salida 40 mA 20 mA
Memoria Flash 32 KB 8 KB
EEPROM 1 KB 256 Bytes
Velocidad del reloj 20 MHz 20 MHz
Periféricos de comunicación
I2C, SPI y UART I2C, SPI y UART
(Atmel, 2014; Microchip, 2014) • Módulo de Comunicación
La unidad central del sistema necesita obtener los datos de las unidades periféricas de manera inalámbrica y viceversa, por lo que se requiere de módulos de comunicación inalámbrica con un rango de alcance superior a 50 metros, velocidad de envío y recepción de paquetes superior a 1Mbps y corriente de operación menor a 50 mA. La tabla 3 muestra las características del módulo nRF24l01 y del XBee S2.
Tabla 3. Especificaciones Técnicas del módulo nRf24l01 y del XBee S2
nRF24l01 XBee S2
Velocidad 2 Mbps 250 Kpbs
Rango de alcance 20m – 1.5Km 1.5 Km
Antena Embebida Si Si
Voltaje de operación 3.3 V 3.3 V
Corriente de operación 15mA 215mA
(Digi, 2016; Nordic, 2015)
12 ser configurado como transmisor y como emisor, tiene un rango de hasta 1 Km en zonas abiertas, trabaja a una frecuencia de 2.4GHz y puede transmitir hasta 2 Mbps (Nordic, 2015).
• Sensor de Corriente
La función principal del sistema comprende la medición de corriente y voltaje en cada zona para después obtener la potencia en la residencia y mostrarla en la pantalla TFT. Los elementos que permiten esto son un sensor de corriente y un sensor de voltaje. Se requiere que el sensor de corriente sea invasivo, que no ocupe mucho espacio en la placa electrónica y que no requiera de una polarización adicional.
La Tabla 4 muestra las características electrónicas de dos sensores de corriente disponibles en el mercado.
Tabla 4. Características Electrónicas del sensor de corriente ACS712T y del SCT-013-030
ACS712T SCT-013-030
Tipo de conexión Invasivo No invasivo
Voltaje de Operación DC 5V 5V
Temperatura de operación -40 a +85°C -25 a +70°C
Sensibilidad 65 mV/A 33.3 mV/A
Ruido 11 mV 10 mV
Tipo de salida
Analógica con Offset de 2.5V
Analógica de 0 a 1 V, Requiere de acondicionador
Error total a la salida ±1.5 % ±1.2 %
(Allegro, 2010) ; (XiDi, 2012)
El sensor de corriente seleccionado fue el ACS712T del fabricante Allegro puesto que permite la medición de corriente AC y DC en la industria, en el comercio y en sistemas de comunicación. Además comparado con el otro sensor, el modulo que tiene embebido el ACS712T no necesita acondicionadores de señal, lo que se refleja en ahorro económico y espacio dentro de la placa de control. De igual manera, se seleccionó el ACS712T puesto que a comparación con el SCT-013-030 es invasivo, lo que en este caso facilita el emplazamiento de la unidad periférica de medición. El sensor puede medir cargas de hasta 30 A.
• Sensor de Voltaje AC
13 120 V AC mediante un transformador y lo rectifica de manera que se obtiene una salida analógica regulable capaz de ser ingresada al microcontrolador y realizar el respectivo escalamiento. Se lo seleccionó, puesto que es capaz de medir hasta 250V AC, su tamaño es de 49.5 x 19.4 mm y pesa 19 g. (SMAKN, 2015).
• Sensor de Luz
El sensor de luz seleccionado fue el BH1750 en su presentación de módulo con polarización embebida. Se lo seleccionó puesto que es capaz de detectar un amplio rango de luz en una alta resolución desde 1 hasta 65535 luxes en comparación con el ISL76671 que solamente detecta hasta 100 lux. La respuesta espectral es aproximadamente igual a la de un ojo humano (ROHM, 2015).
La Tabla 5 muestra las características de los sensores de luz a comparar.
Tabla 5. Características Electrónicas del sensor de luz BH1750 y del ISL76671
BH1750 ISL76671
Corriente de suministro 120 uA 35 uA
Voltaje de suministro 3.3 V 3.3 V
Temperatura de operación -40 a +100°C -40 a +105°C
Rango de medición 0.11 a 65535 lux 0.01 a 100 lux
Tiempo de medición en alta resolución 120 ms 155 us
Tiempo de medición en baja resolución 16 ms 95 us
Medidas 15 x 20 mm 20 x 20 mm
(ROHM, 2015)
• Fuente de Alimentación para Unidad Central
La unidad central debe contener una fuente de alimentación portátil, los parámetros para la selección de la fuente de alimentación son su tamaño, peso, número de celdas y la capacidad de almacenamiento de energía. La corriente que demandan los componentes seleccionados previamente para la unidad central es de aproximadamente 250 mA. La Ecuación 1 muestra el cálculo del tiempo de descarga de la batería de Li ion de 3500 mAh.
14 El tiempo de descarga supera los requerimientos, además tiene un tamaño compacto de 7 x 5 x 0,4 cm. La batería seleccionada es de Li ion de 3500 mAh, de una celda de 3.7 V. La ecuación 2 muestra el cálculo de la potencia generada por la batería.
𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 = 3.85 𝑉 ∗ 3500 𝑚𝐴ℎ = 13,48 [𝑊ℎ] [2] Donde:
P: Potencia en Wh generada por la batería V: Voltaje nominal de la batería
I: Corriente en mAh que puede entregar la batería
De manera que el sistema pueda tener una fuente de 5 V y capaz de ser usado mientras se carga, se usa el módulo Lipo Rider V1.0, el cuál es un módulo capaz de cargar baterías Li-ion o Li-po de hasta dos celdas, este módulo tiene un puerto de carga, un puerto de salida estable de 5 V y un puerto para conectar la batería, puede entregar hasta 300 mA a la salida y tiene embebido un circuito elevador de voltaje.
2.3.1.2 Unidad Central de Monitoreo y Control
La unidad central se compone de la pantalla TFT, el microcontrolador, el módulo de comunicación, su fuente de alimentación y el reloj en tiempo real (Figura 6). Esta unidad es la encargada de ejecutar las operaciones de cálculo de potencia instantánea, consumo actual, consumo histórico, voltaje, corriente y envío de datos a las unidades de control de luminarias.
Los módulos de comunicación nRF24L01 operan a 3.3V por lo que se usa un rectificador de voltaje LM1117. El módulo de comunicación nRF24L01 usa el puerto SPI para su correcto funcionamiento, por lo que se usa los pines correspondientes de SPI del microcontrolador. De igual manera, el reloj en tiempo real requiere del bus I2C, es decir los pines SCL y SDA del microcontrolador. Para la recepción y envío de datos desde y hacia la pantalla respectivamente se usa el puerto serial del microcontrolador RX-TX a una taza de 115200 baudios.
15
Figura 6. Esquema electrónico de la Unidad Central
• Interfaz gráfica de la pantalla TFT
La interfaz de la pantalla TFT consta de 4 páginas, el menú principal, la pantalla histograma, la pantalla de control de luminarias y la pantalla de historiales.
16
Figura 7. Menú principal de la interfaz
La pantalla histograma se muestra en la Figura 8, en esta pantalla se puede obtener el resultado netamente gráfico de la potencia instantánea en KW.
Figura 8. Pantalla de histograma de la interfaz
17
Figura 9. Pantalla de control de luminarias de la interfaz
El historial de consumo semanal y diario es mostrado en la Figura 10, estos datos se irán refrescando conforme se acabe la semana o el día en transcurso, de igual manera se irán activando las casillas de los días que el equipo va funcionando.
Figura 10. Pantalla de historiales de la interfaz
2.3.1.3 Diseño de las Unidades Periféricas
18 demás componentes para una correcta polarización son seleccionados de acuerdo a lo que recomienda el fabricante de cada elemento.
La conexión requerida para los sensores fue tomada desde la línea de entrada de voltaje de la zona respectiva de la residencia, la fase se conectó en serie al sensor de corriente, mientras que el sensor de voltaje se conectó en paralelo a la línea.
La Figura 11 muestra el resultado del diseño electrónico de las unidades periféricas, se indica claramente las conexiones, polarizaciones y elementos usados.
Figura 11. Esquema electrónico de las Unidades Periféricas
2.3.1.4 Unidades periféricas de control de potencia para las luminarias
19 en encender y apagar el triac en intervalos precisos de tiempo, estos son sincronizados con la señal AC mediante el detector de cruce por cero.
Lo primero que hace el circuito es detectar el cruce por cero que lo hace 60 veces cada segundo, en ese momento el triac permanece apagado por un lapso controlado de tiempo t1 como se muestra en la Figura 12. Entre mayor es el tiempo, menor potencia recibe el circuito AC. Una vez que el tiempo de apagado t1 haya transcurrido, el microcontrolador enciende el triac aplicando voltaje a la compuerta, esto es representado por la línea roja en la Figura 12. Una vez encendido, el triac permanece encendido a pesar que el voltaje en la compuerta haya sido removido. El triac se apaga si el voltaje en la compuerta es cero la próxima vez que la onda AC cruce por cero.
Figura 12. Pulso de voltaje en la compuerta del triac para control del conversor AC/AC y el flujo de potencia a la carga
(Sánchez, 2002)
• Diseño del circuito detector de cruce por cero
El circuito de cruce por cero consiste en un opto acoplador que enciende y apaga el diodo emisor dependiendo del ciclo de la onda de corriente alterna. El diodo emisor envía los pulsos requeridos el microcontrolador.
El opto acoplador usado para este fin es el 4N25 del fabricante Motorola, es un opto acoplador de propósito general, contiene un diodo emisor de luz ópticamente acoplado a un foto-transistor, sus características eléctricas son presentadas en la tabla 6.
Tabla 6. Especificaciones eléctricas del opto acoplador 4N25.
Parámetro Símbolo Valor max Unidades
Tensión de alimentación Viso 7500 V
Vo lt a je e n l a C o m p u e rt a Vo lt a je Pr in c ip a l (V )
20
Tabla 6. Especificaciones eléctricas del opto acoplador 4N25 (Continuación).
Parámetro Símbolo Valor max Unidades
Corriente en diodo If 60 mA
Corriente de colector Ic 50 mA
Tiempo de respuesta Tr 3 us
Temperatura de operación Ta -55 a +100 °C
(Motorola, 2007)
La entrada al diodo del opto acoplador fue tomada de un transformador AC/AC de 12V con tap central que a su vez se conectó a un puente de diodos, desde el cual el pin positivo fue a la resistencia R5 (figura 14) y el negativo al cátodo. Para el diseño del circuito detector de cruce por cero se requirió el uso de diferentes resistencias dependiendo de su función; estas han sido denominadas R5 y R6. Su cálculo se presenta a continuación.
Puesto que el voltaje rms a las salida del puente de diodos de 1.5 A es de 16.97 V y la corriente máxima que puede llegar al diodo es de 60 mA (Motorola, 2007) entonces se puede calcular el valor de la resistencia mínima.
𝑉JKLMNOPKQLRPK = 𝐼RSPRP. 𝑅5 [3]
𝑅5 =𝑉𝐼 =16.97(𝑉)60(𝑚𝐴) = 282.83Ω [4] El valor mínimo de la resistencia para una corriente máxima en el diodo es de 282.83 como se muestra en la ecuación 3. Sin embargo, no es recomendable que el componente opere en condiciones máximas por lo que se toma en cuenta que la corriente en el diodo deberá ser de 17mA para poder usar una resistencia muy común en el mercado como es la de 1KW.
La corriente máxima en el colector es de 50 mA (Motorola,2007), por lo que el cálculo siguiente (ecuación 5) determina el valor de resistencia mínimo para generar dicha corriente:
𝑉YPZ[YJPK= 𝐼YPZ[YJPK. 𝑅6 [5]
𝑅6 =\
] = ^(\)
^_(Q`)= 100Ω [6]
Como se dijo anteriormente, no es recomendable que se opere en condiciones máximas por lo que se redujo la corriente del colector a 15mA, con lo que el resultado de R6 es de 330 Ω.
21 salida del colector va a una entrada digital del microcontrolador que después es leída para la sincronización con el circuito de control de fase.
• Diseño del circuito de control de fase
Este circuito consiste en un disparo de triac aislado ópticamente desde el microcontrolador (Figura 13). Los aisladores ópticos fueron necesarios puesto que mantienen las señales de tensiones bajas lejos de los circuitos de potencia y proveen un nivel de seguridad para el microcontrolador como para los demás componentes del circuito
El triac seleccionado es el BT136 puesto que es usado en aplicaciones que requieren alta transitoria bidireccional, capacidad de bloqueo de tensión, y además por qué es comúnmente usado para el control de motores, calefacción e iluminación industrial y doméstica. La tabla 7 muestra las características electrónicas del triac.
Tabla 7. Especificaciones eléctricas del triac BT136.
Parámetro Símbolo Valor Unidades
Voltajes repetitivos pico Vdrm 500 V
Voltaje encendido en compuerta Vgt 1.5 V
Corriente en estado actual It 4 A
Corriente en compuerta Igt 25 mA
Temperatura de almacenamiento Tstg -40 a +150 °C
(Philips, 2013)
El opto acoplador seleccionado es el MOC3021 puesto que está diseñado especialmente para aplicaciones que requieren un aislamiento óptico en el disparo del triac, es usado para el control de válvulas solenoides, control de motores y dimmers de lámparas incandescentes. La tabla 8 muestra las características electrónicas del opto acoplador.
Tabla 8. Especificaciones eléctricas del opto acoplador MOC3021
Parámetro Símbolo Valor max Unidades
Tensión de alimentación pico Viso 7500 V
Corriente inversa If 15 mA
Tensión de salida repetitiva Vdrm 400 mA
Potencia total disipada Pd 300 mW
Temperatura de operación Ta -40 a +85 °C
22 Para el diseño del circuito de control de fase, se requirió el uso de diferentes resistencias dependiendo de su función; estas han sido denominadas R1, R2, R3, R4, y R7. Su cálculo se presenta a continuación.
La corriente típica en el diodo es de 15 mA (Motorola,2012), y el microcontrolador entrega 5V a sus salidas, por lo que el cálculo siguiente (Ecuación 7 y 8) determina el valor de resistencia para generar esa resistencia y para asegurar una correcta operación del elemento.
𝑉RSPRP= 𝐼RSPRP. 𝑅1 [7]
𝑅1 =𝑉𝐼 =15(𝑚𝐴)5(𝑉) = 333,33Ω [8] Las demás resistencias R2, R3, R4, R7 y los capacitores fueron seleccionados en base al diagrama presentado en la hoja de datos del componente.
La Figura 13 muestra el circuito para la dimerización de una luminaria, la resistencia de 39 Ω y el capacitor de 0.01 uF se usan para crear el efecto de amortiguación en el triac, esto mantiene al triac en estado apagado y evita que se encienda repentinamente. Por otra parte, la resistencia de 470 Ω y el capacitor de 0.05 uF de igual manera crean el efecto de amortiguación para el opto acoplador.
Figura 13. Diagrama de aplicación típica del MOC 3021 en un circuito de control de potencia
• Implementación del sensor de luz BH1750
El sensor opera a 5V en su puerto de alimentación y a 3.3 V en su puerto de comunicación por lo que se usó un convertidor de nivel lógico, de esta manera se asegura la correcta operación del sensor. La Figura 14 muestra cómo se realizó la conexión entre el microcontrolador, el convertidor de nivel lógico y el sensor.
24
2.3.1.5 Controlador PI para control de potencia
El inicio del proceso utilizado para sintonizar el controlador PI es conocido como “Bump Test” puesto que provee la base para entender la relación causa-efecto entre el proceso y la salida del controlador. Una vez que se estableció esa relación, los parámetros del modelo son calculados y convertidos en parámetros de sintonización PI.
Lo primero que se hizo fue poner en marcha a la estación de control de luminaria, solamente que el setpoint no fue enviado desde la pantalla TFT, este fue establecido desde software, de manera que se pudo variar el actuador y obtener un cambio en el proceso.
Al mapear todos los datos generados al variar el setpoint y los datos obtenidos por el proceso, se obtuvo la curva de la Figura 15.
Figura 15. Curva de comportamiento del bump test del proceso de control de potencia De la anterior curva se obtuvo los valores que se expresan en la ecuación 9.
𝐾b =𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 =(500−300)(0−1039) = −5.195 [9] Dónde:
𝑲𝒑 es la ganancia del proceso.
Los valores de 0 a 1039 fueron los valores obtenidos de la medición que entrega el sensor de luz al variar el setpoint del controlador desde software conforme avanza del tiempo, gráficamente esta variación en el proceso representa al área bajo la curva de la Figura 15.
25 se debe escoger escalones que empiecen desde el 5% de la potencia nominal hasta excitar las dinámicas del proceso.
De igual manera se calculó el parámetro 𝜏b que es la constante de tiempo del proceso del sistema como muestra la Ecuación 10, cabe recalcar que de la Figura 15 se obtuvo gráficamente que el tiempo de estabilización es de 800 ms.
𝜏b =𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛4 =800 𝑚𝑠4
=
200 𝑚𝑠 [10]Una vez que ya se tuvo la dinámica del proceso, se procedió a la aplicación de la técnica de sintonización “Síntesis Directa” (ABB, 2014), esta técnica involucra un bump test manual que ya se realizó y una selección de las ganancias que producirán los resultados deseados en cuánto a la respuesta del sistema.
La Ecuación 11 representa la ganancia del controlador y el tiempo integral.
𝑘Y = 𝑘 1
𝑝.𝜏𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 𝑇] = 𝜏b [11]
Dónde:
𝜏KLJSP define la velocidad de respuesta.
Se probó con varios 𝜏KLJSP y se observó que el mejor comportamiento en tiempo de estabilización fue con 𝜏KLJSP = 5. La selección de un correcto 𝜏KLJSP
depende de la curva del proceso, entre más se parezca a la curva de primer orden, 𝜏KLJSP deberá ser menor y viceversa.
La ecuación 12 muestra el valor proporcional y la ecuación 13 el valor integral del controlador. Dichos valores fueron puestos en el algoritmo de programación.
𝑘Y = −5.195 51 = −0.0385 [12]
𝑇] = 200 𝑚𝑠 = 0.2 𝑠 [13] La ecuación 14 muestra el cálculo de la constante de tiempo en la cual el sistema en lazo cerrado alcanza el 63.2% del valor del setpoint. El tiempo de estabilización es 4 veces dicho valor. Teóricamente el tiempo de estabilización fue de 4 segundos.
26
Figura 16. Curva de la respuesta del sistema con la implementación del controlador PI
2.3.1.6 Sistema resultante del proceso de diseño
En la Figura 17 se muestra el sistema resultante del proceso de diseño, claramente se observa que consta de una unidad central compuesta por la pantalla, su módulo de comunicación inalámbrica, un módulo de reloj en tiempo real y su microcontrolador, todo esto en una PCB. Las cuatro unidades periféricas constan de un microcontrolador, el módulo de comunicación inalámbrica y los sensores correspondientes a voltaje y corriente. Finalmente, las unidades periféricas de control de luz mantienen el módulo de comunicación inalámbrica, el circuito de control de potencia y el sensor de luz.
27
2.3.2 DISEÑO DEL SOFTWARE
Una vez que se tuvo el diseño electrónico se procedió al diseño del software, la Figura 18 muestra el diagrama de flujo del algoritmo utilizado en la unidad central.
Figura 18. Diagrama de flujo del algoritmo de la unidad central
La Figura 19 muestra el diagrama de flujo del algoritmo de las unidades periféricas de medición, las 4 unidades periféricas son exactamente iguales y usan el mismo algoritmo.
28 El diagrama de flujo del algoritmo de las unidades periféricas de control de luminarias se muestra en la Figura 20, las 2 unidades existentes usan el mismo algoritmo.
Figura 20. Diagrama de flujo del algoritmo de las unidades periféricas de control de luminarias
2.3.2.1 Descripción de la operación
El diagrama de flujo de la operación del equipo se muestra en la Figura 21, siempre que se enciende el equipo este inicia en la pantalla principal, desde la cual se puede acceder a las demás pantallas de la interfaz.
29
2.4 DESARROLLO DE PROTOTIPOS Y PRUEBAS
2.4.1 PROTOTIPO EN ETAPAS INICIALES DE DESARROLLO Y PRUEBAS
Las unidades periféricas en un comienzo constaron del microcontrolador, del módulo de comunicación y de dos potenciómetros que simulaban a los sensores. La unidad central durante el primer prototipo usó un Arduino Mega. La Figura 22 muestra el prototipo en etapas iniciales de prueba.
En el primer prototipo en etapas iniciales de desarrollo y pruebas todo estaba cableado directamente al Arduino, las unidades periféricas eran capaces de proporcionar los datos de medición de los sensores o a su vez de dos potenciómetros. La unidad central constaba de la pantalla TFT y de un Arduino Mega, la interfaz de la pantalla TFT solamente tenía una página. La unidad periférica de control de luminarias constaba de una placa de control con sus respectivos componentes, el sistema era completamente funcional.
Figura 22. Prototipo en etapas iniciales de desarrollo y pruebas con launidad principal y 2 periféricas
2.4.2 DISEÑO DE LAS PCB
Se diseñó y se fabricó las PCB correspondientes. Estas fueron diseñadas en Ares de Proteus 8.1. Las Figuras 23, 24 y 25 muestran los resultados del diseño de las PCB.
30
Figura 23. Diagrama del diseño del PCB de la unidad central
La Figura 24 muestra el resultado del diseño de la PCB de las unidades periféricas de control de luminarias.
Figura 24. Diagrama del diseño del PCB de las unidades periféricas de control de luminarias
31
Figura 25. Diagrama del diseño del PCB de las unidades periféricas de medición
2.4.3 PROTOTIPO EN ETAPAS FINALES DE DESARROLLO Y PRUEBAS
Una vez construidas las placas definitivas, se procedió a la construcción del prototipo en etapas finales de desarrollo y pruebas, este constaba de la unidad central con su placa de control (Figura 26), su fuente de alimentación portátil, la interfaz del usuario estaba completa y además la unidad central tenía su propia caja protectora impresa en 3D con PLA. Para este entonces, las unidades periféricas ya estaban en su etapa final de diseño.
32
2.4.4 PRUEBAS
Una vez construido el prototipo final, se procedió a realizar las respectivas pruebas para corroborar un correcto funcionamiento del hardware y del software. Estas fueron las siguientes:
• Funcionamiento de las estaciones periféricas
• Funcionamiento de la estación central, pantalla y de la interfaz • Interacción de los usuarios en la residencia con el equipo • Funcionamiento de las estaciones periféricas
• Funcionamiento de las estaciones periféricas
Las estaciones periféricas que se componen de dos sensores, su microcontrolador, su dispositivo de comunicación inalámbrica y su fuente de polarización funcionaron perfectamente, porque se pudo visualizar los valores de voltaje y corriente en la pantalla al conectar las respectivas cargas. Cada estación cuenta con dos indicadores, el de color verde indica que la estación está encendida y el indicador azul se enciende cada vez que la estación es capaz de enviar datos a la estación central.
• Funcionamiento del sensor de voltaje
La validación de datos del sensor de voltaje fue hecha con la ayuda de un multímetro FLUKE 117 True RMS el cuál fue considerado como patrón de referencia. Se comparó los datos de voltaje en la línea monofásica obtenidos mediante el multímetro y mediante el sensor de voltaje. Los datos del sensor de voltaje fueron ploteados en el monitor serial de Arduino IDE. La tabla 9 muestra los datos de voltaje provistos por el equipo de monitoreo y por equipo de validación con la variación entre medidas.
Tabla 9. Mediciones de voltaje realizadas con el equipo de monitoreo y determinación de la desviación respecto al valor de referencia
Valores de Voltaje del equipo (V)
Valores de voltaje del
patrón de referencia (V) Variación (%)
119,22 119,1 0,10
119,17 118,9 0,23
119,25 119,1 0,13
119,22 119,1 0,10
119,24 119,2 0,03
119,24 119,2 0,03
33
Tabla 9. Mediciones de voltaje realizadas con el equipo de monitoreo y determinación de la desviación respecto al valor de referencia (Continuación)
Valores de Voltaje del equipo (V)
Valores de voltaje del
patrón de referencia (V) Variación (%)
119,22 119,0 0,18
119,21 118,9 0,26
119,29 119,2 0,08
119,26 119,1 0,13
119,35 119,2 0,13
119,13 118,8 0,28
Los datos presentados por la tabla 9 muestran el error que tienen los datos provistos por el equipo de monitoreo, no es un error significativo, por ende el desempeño del equipo puede ser considerado correcto entregando una gran fiabilidad al usuario.
• Funcionamiento del sensor de corriente
La validación de los valores de corriente provistos por el sensor del equipo es hecha con el multímetro FLUKE 117 True RMS el cuál fue considerado como patrón de referencia. La tabla 10 muestra los datos obtenidos por el equipo de monitoreo y por el equipo de validación al someter una carga de 100W a la línea y también muestra la variación en porcentaje que existe entre ambos valores.
Tabla 10. Mediciones de corriente realizadas con el equipo de monitoreo y determinación de la desviación respecto al valor de referencia
Valores de Corriente del equipo (A)
Valores de Corriente del patrón de referencia (A)
Variación (%)
0,89 0,889 0,11
0,89 0,886 0,45
0,89 0,885 0,56
0,88 0,883 0,34
0,89 0,891 0,11
0,87 0,866 0,46
34 Los datos presentados por la tabla 10 muestran un error que no supera el 0.7 %, por ende el desempeño del equipo puede ser considerado correcto entregando una gran fiabilidad al usuario.
• Funcionamiento de la estación central, pantalla y de la interfaz
La estación central compuesta por un módulo de tiempo real, la pantalla TFT, el microcontrolador Atmega 328 y su fuente de alimentación portátil funcionan correctamente esto se lo corroboró con varias pruebas que se las hicieron progresivamente mientras se desarrollaba todo el proyecto, la pantalla muestra la fecha, hora y los valores de interés de una manera correcta. Se determinó teóricamente que la duración de la batería es de aproximadamente 9 horas, esto se lo hizo basándose en la capacidad de la batería y en la corriente que demanda la unidad central para su funcionamiento.
En cuanto a la fecha y hora, estos no se han desigualado; en cuanto a los colores y la sensibilidad táctil de la pantalla, se ha probado con varios botones, presionando y desplazándose entre pantallas, el tiempo de respuesta del cambio de pantallas es de aproximadamente 0,3 segundos.
En la resolución, los colores de la pantalla son idénticos a los colores establecidos en el editor gráfico, se utilizaron colores que ayuden a visualizar los datos de interés. La letra usada es “Comic Sans” tamaño 12, 14 y 16 dependiendo del indicador en la interfaz.
2.5 CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO Y EMPLAZAMIENTO
2.5.1 CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO
35
Figura 27. Equipo de monitoreo y control de la energía eléctrica
2.5.2 EMPLAZAMIENTO DEL EQUIPO EN LA RESIDENCIA
La Figura 28 muestra detalladamente el nombre de cada uno de los dispositivo que componen el equipo de monitoreo y control.
Figura 28. Detalle de dispositivos del equipo de monitoreo y control
Unidad periférica de medición 1 Unidad periférica de medición 2 Unidad periférica de control de luminarias 1
Unidad periférica de medición 3
Unidad periférica de control de luminarias 2
Unidad central
36 Las unidades periféricas fueron instaladas de la siguiente manera:
• La unidad periférica de medición 1 fue colocada en el cuarto de estudio. • La unidad periférica de medición 2 fue colocada en la habitación 1. • La unidad periférica de medición 3 fue colocada en la habitación 2. • La unidad periférica de medición 4 fue colocada en la sala de estar. • La unidad periférica de control de potencia 1 fue colocada en el
corredor que va hacia las gradas.
• La unidad periférica de control de potencia 2 fue colocada en el cuarto de estudio.
La Figura 29 y 30 muestran a las unidades periféricas emplazadas en la residencia desde los planos arquitectónicos de la residencia. La simbología usada para las unidades de medición es de (UM), las unidades periféricas de control de luminarias se las denota con la letra (L). De esta manera, UM1 corresponde a la unidad periférica de medición 1, L1 a la unidad periférica de control de luminarias y así sucesivamente.
38 La Figura 31 muestra la unidad periférica de control de luminarias implementada en el pasillo de entrada de la residencia y la Figura 32 muestra a la unidad periférica de medición implementada en una de las habitaciones de la residencia.
39
40
3.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS DEL FUNCIONAMIENTO DE
LAS UNIDADES PERIFÉRICAS DE MEDICIÓN
Una vez que se calibró y se puso en funcionamiento las unidades periféricas de medición, se tuvo un porcentaje de variación promedio o error relativo promedio de 0,144 % en cuanto a voltaje y un 0,378 % en cuanto a corriente. Cabe recalcar que el sensor de corriente utilizado podrá medir hasta 30 A en corriente alterna y de igual manera el sensor de voltaje podrá detectar hasta 220 V AC. Más detalles se muestran en el Anexo II.
Dichas unidades mostraron un correcto funcionamiento en la implementación, teniendo cobertura en toda la residencia, no tienen problema de perdida de datos, las dimensiones de 72 x 99 x 32 mm facilitan la instalación.
3.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS DEL FUNCIONAMIENTO DE
LA UNIDAD CENTRAL
El cambio entre pantallas es de 0.3 segundos, lo que permite al usuario la interacción con el equipo.
El tamaño de la pantalla es ideal, su resolución de 480 x 270 pixeles lo hacen un dispositivo portátil de fácil lectura.
De igual manera, su caja protectora permite su manipulación por parte del usuario al poder sostener y llevar a cualquier lugar en la residencia. Esta caja protectora dispone de un puerto para carga, 3 leds indicadores y un switch de encendido y apagado.
La caja protectora de la unidad central fue impresa en 3D en PLA, lo cual la hace resistente a pequeños golpes que sufra el equipo, cuida su integridad y funcionamiento. Su color naranja ayudó a su fácil denotación en cualquier parte de la residencia.
3.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA IMPLEMENTACIÓN
DEL SISTEMA EN LA RESIDENCIA
MONITOREO
41
Tabla 11. Registro del consumo de energía eléctrica en la residencia con el sistema implementado
Día Consumo(Wh)
Lúnes 9680 Martes 9545 Miércoles 10122
Jueves 9642 Viernes 10178 Sábado 9991 Domingo 10016
TOTAL 69174
La tabla 11 muestra el consumo durante una semana en las 4 zonas más concurridas de la residencia, dando un total de 69.174 KWh, con lo que se podría decir que el consumo mensual de las 4 zonas es de aproximadamente 276.696 KWh. La auditoría energética refleja un consumo mensual promedio durante el 2016 de 435.45 KWh. El valor de consumo del mes en el que el equipo fue implementado fue de 402.36 KWh, lo que indica un ahorro energético del 7.59 %.
CONTROL
Las Figuras 33 y 34 muestran los resultados del control de luminarias en un grado medio de iluminación y en un grado alto de iluminación. En la figura 37 se muestra cuando el controlador está al 50% de iluminación y en la figura 38 en un 100% de iluminación. Dichos valores fueron establecidos desde la unidad central.
42
Figura 33. Unidad periférica de control de luminarias con su controlador al 50% de iluminación
43
CONCLUSIONES
• El equipo desarrollado tiene embebido un sistema de monitoreo de la energía eléctrica y un sistema de control de luminarias. Para la visualización de datos no se necesita ningún dispositivo externo puesto que toda la información pertinente es mostrada en la pantalla de la unidad central. También se tiene la posibilidad de instalar las unidades de medición en diferentes zonas y no solamente en la caja de contactores de la residencia.
• Luego de la implementación del equipo, el consumo promedio mensual fue de un 7.54 % menos que cuando no se tenía el sistema emplazado, lo cual muestra que se logró un ahorro energético, se ayudó a la gestión de la energía eléctrica y se creó conciencia en los usuarios de la residencia. • El equipo fue capaz de medir cargas AC de hasta 30 A. Su unidad central
tuvo una autonomía de batería promedio de 9 horas y las unidades de control de luminarias manejaron hasta 3 A de carga controlada a la salida con un tiempo de estabilización de 4.3 segundos.
• Aunque el equipo tiene una interfaz intuitiva, no garantiza que el usuario pueda manejarlo. Para el uso eficiente del equipo se requiere un manejo de las TICS y un conocimiento de las magnitudes básicas de electricidad.
RECOMENDACIONES
• Se podría incluir una batería de mayor capacidad para una autonomía superior a 9 horas. Asegurándose que entregue el voltaje requerido para un correcto funcionamiento de la unidad central.
• Debido a la estructura inalámbrica que tiene el sistema, solo se podrían tener hasta un máximo de 6 unidades periféricas, sin embargo, para expandir el número de unidades periféricas de medición, se recomienda usar una topología mixta y realizar pruebas para comprobar si existe congestión de datos en la unidad central.
44 • Se recomienda instalar las unidades periféricas de medición en las zonas más concurridas de la residencia, y asegurarse que en cada una de estas zonas no se excedan los 30 A de carga.
