CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Este capítulo se refiere a la sustentación teórica del proyecto.
Comprende los antecedentes de la investigación, el conjunto de bases teóricas, y el sistema de variables.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
A continuación se mencionan los trabajos más destacados encontrados en consonancia a la variable de interés como lo son sistema automático y transferencia de carga eléctrica.
El primero de estos trabajos es el realizado por Petit (2004), que lle va por título “Sistema Automático de Control para el Acoplamiento y Desacoplamiento Sincronizado de Generadores Trifásicos. Caso: Draga Catatumbo”.
El objetivo general de esta investigación fue diseñar un sistema automático de control capaz de sincronizar el acoplamiento y desacoplamiento de generadores trifásicos. La investigación se enfocó en proponer un circuito que permitiera al Instituto Nacional de Canalizaciones, organismo propietario del buque, activar un generador trifásico en desuso que se encuentra a bordo de la embarcación como fuente energética de
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emergencia, integrándolo al sistema de control que rige el funcionamiento de los demás generadores instalados a bordo, todo esto de conformidad con los estándares publicados por NEMA sobre generadores de electricidad y con basamento en la teoría existente sobre máquinas eléctricas (Ramírez, 1996) y sistemas de control, específicamente controladores programables y automatización de procesos industriales (Castellano, 2003).
La investigación fue de tipo aplicada, proyectiva, descriptiva y de campo, mientras que las técnicas de recolección de información utilizadas fueron la observación participante, la entrevista no estructurada y los documentos. La metodología se sustenta en los principios de diseño electrónico propuestos por Savant, Roden, Carpenter, de los cuales se seleccionaron cuatro fases que consisten en la definición del problema, su subdivisión, la escritura de documentación inicial y el fin del diseño. Respecto de los resultados de la investigación, la adecuada aplicación de las fases del diseño permitió clasificar de forma óptima la información recopilada y proponer una serie de documentos y planos que indican la forma de construir un sistema automático de control capaz de sincronizar el acoplamiento y desacoplamiento de generadores trifásicos.
La importancia de dicha investigación radica en el énfasis que hace sobre los generadores de electricidad, ya que hace referencia en cuanto a su funcionamiento, los tipos de generadores eléctricos y otros puntos de gran interés para la presente investigación.
Cabe señalar, el trabajo realizado por Trigilio (2004), que lleva por título
“Diseño de un Sistema de Control Automático para la Sección de Endulzamiento de Gas de la Planta Endulzadora Urdaneta García”.
El objetivo general fue el diseño de un sistema de control automático para la sección de endulzamiento de Gas de la planta Urdaneta García. El tipo de investigación fue aplicada, descriptiva, bajo la modalidad de proyecto factible ya que se realiza un diagnóstico del fenómeno y se propone una solución. El diseño de la investigación es de campo, no experimental, transeccional, descriptivo ya que los fenómenos solo se observan tal y como se dan en su contexto natural en un momento único para después analizarlos. La población se compone de la Sección de Endulzamiento de Gas.
La metodología utilizada está compuesta por un eclecticismo de trabajos realizados por varios autores. A través de simulaciones dinámicas, estrategias de control, modelado matemático y simulaciones de los procesos utilizando Simulink se obtuvieron resultados como mediciones confiables, detección y corrección automática, remota y en tiempo real de cualquier alteración del proceso de endulzamiento de gas, manteniendo de esta manera las instalaciones en condiciones óptimas.
Este tipo de investigación proporciona como aporte para el presente estudio, la información teórica y análisis de la variable sistema automático, que precisamente no habla sobre la misma problemática pero tienen cierta relación, ya que el propósito de ambas es automatizar.
Otro trabajo destacado e importante para el desarrollo de esta
investigación es el realizado por López (2008), que lleva por título “Diseño de un control automático para plantas eléctricas a gasoil supervisadas a través del sistema Scada”.
Esta investigación tuvo por objeto diseñar una estrategia de control automático para plantas eléctricas a gasoil supervisadas a través del sistema SCADA, para lograr este objetivo, fue diagnosticada la situación actual de la estación ubicada en el Caserío El Roble del Estado Falcón perteneciente a la Compañía Anónima Electricidad de Occidente (ELEOCCIDENTE), se definieron las variables susceptibles de automatización en el proceso inherente a las plantas eléctricas de gasoil, se precisó la interfase que permite la comunicación remota entre el proceso productivo a través del computador y el sistema SCADA y por último se diseñó el sistema de control que utilizarán las plantas eléctricas a gasoil.
Para esto se definieron principalmente dos variables, que no son más que características observables de algo que es susceptible de adoptar diferentes valores o de ser expresadas en diferentes categorías, tomando en consideración lo anteriormente expuesto, en la presente investigación se ubicaron dos variables de estudio, denominadas "Microcontrolador" y
"SCADA". El tipo de investigación de este estudio fue descriptivo, de campo y tecnológica. La estación en estudio, requiere un control automático, ya que la empresa posee gran cantidad de equipos de transmisión que deben poseer una fuente de energía, que a su vez falla en determinados momentos, en ese caso, esa localidad, posee un sin número de plantas generadoras de
electricidad las cuales funcionan por combustible.
Adicional a eso, las mencionadas plantas poseen un control analógico de contactores, relé y temporizadores de aguja lo que genera problemas; razón por la cual, se propone un sistema de automatización que mejore el control y visualización de los parámetros de la planta eléctrica. El análisis de los resultados estuvo enmarcado en base a las pruebas realizadas por medio del programa simulado, contrastando los diferentes comportamientos ante la presencia de carga en la línea principal o en la planta eléctrica. Los resultados llevaron a concluir a través de la evaluación, que el sistema posee condiciones que permiten establecer el modelo de control planteado.
2. BASES TEÓRICAS
A continuación se presenta un compendio de toda la información necesaria para la comprensión de las variables sistema automático y transferencia de carga eléctrica del presente trabajo de investigación.
2.1. SISTEMA
Según Roberts (2004), una manera de definir sistema es como algo que efectúa una función. Esto es, opera sobre algo y produce algo más. Otra definición seria como algo que responde cuando se estimula o excita. Un sistema puede ser eléctrico, mecánico, biológico, un sistema de cómputo, uno económico, uno político, etc. Los sistemas ideados por los ingenieros
son sistemas artificiales, y mientras aquellos que se han desarrollado orgánicamente a través de la evolución y el crecimiento de la civilización son sistemas naturales.
Es posible analizar algunos sistemas de manera muy amplia y completa a través de las matemáticas. Otros quizá sean tan complicados que el análisis matemático resulte extremadamente difícil. Incluso otros no se entienden bien debido a la dificultad de medir sus características. Aunque la definición del término sistema es muy amplia, en ingeniería suele referirse a un sistema artificial que se excita mediante ciertas señales y responde con otras señales.
2.1.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS
Roberts (2004), expresa que para comprender algunas propiedades importantes de sistemas grandes y generalizados, se empezará con ejemplos de algunos muy simples. Los circuitos son sistemas eléctricos y son familiares para los ingenieros electrónicos. Un circuito muy común es el filtro pasabajas RC, un sistema de una entrada y una salida. El voltaje en la entrada es la excitación del sistema y el voltaje en la salida es la respuesta del mismo. La señal del voltaje de entrada se aplica al par de terminales del lado izquierdo, que en ocasiones recibe el nombre de puerto en la teoría de circuitos, y la señal del voltaje de salida aparece en el puerto del lado derecho. Este sistema consta de dos componentes familiares para los
ingenieros electrónicos, un resistor y un capacitor. Las relaciones matemáticas de voltaje -corriente para resistores y capacitores son bien conocidas.
2.1.2. IMPORTANCIA DE LOS SISTEMAS
Según el autor referido anteriormente, el análisis de sistemas es una disciplina que ha sido desarrollada por los ingenieros, que se forman aprendiendo matemáticas (cálculo diferencial, variables complejas, vectores, ecuaciones diferenciales, etc.) y ciencia (física, química, biología, etc.). Esta educación es importante, debido a que un ingeniero utiliza las teorías y las herramientas matemáticas desarrolladas por matemáticos y las aplica al conocimiento del mundo físico que ha sido descubierto por los científicos para diseñar cosas que realizan algo útil para la sociedad.
2.1.3. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS
Para Briceño (1999), se basa en las propiedades de la relación funcional, los sistemas se pueden clasificar en ¨sistemas lineales” y ¨sistemas no lineales”.
S e dice que un sistema es lineal si cumple con el ¨principio de la superposición”. O sea que la respuesta de un sistema lineal a una suma de excitaciones es igual a la suma de las respuestas individuales de cada excitación actuando por separado. Este principio implica, por ejemplo, que si
se dobla la entrada, la respuesta sale al doble también. Es decir, que la linealidad significa algo más que una línea recta, esta línea recta debe pasar también por el origen. Evidentemente, un sistema en el cual el principio de superposición no es aplicable será un sistema no lineal.
2.2. SISTEMA AUTOMÁTICO
En la actualidad, la tendencia del mundo industrial se enfoca hacia la ejecución de procesos que sean capaces de monitorearse y controlarse por sí solos. Para tal fin, la ciencia trabaja a diario en nuevos sistemas automatizados que controlen diversidad de procesos, lo cual ha permitido el desarrollo de plataformas automatizadas en todos los niveles.
Así pues, un sistema se considera automático cuando es capaz de mantener sus variables de proceso en el valor deseado, dichas variables, por ser de naturaleza dinámica, están expuestas a sufrir variaciones que alteran la eficiencia y rendimiento del proceso. Es importante acotar que usualmente fluctúan alrededor de un valor deseado, mientras el sistema es capaz de tolerar dichas fluctuaciones; pero cuando el valor sale del rango permisible, se debe tomar una acción que permita controlar el sistema.
2.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS AUTOMÁTICOS
Según Gómez (2007, p. 69), existen muchas formas de clasificar los automatismos, pero se resumen en las siguientes:
• Mecánicos. Son los más antiguos y están formados por engranajes, palancas, levas, etc.
• Eléctricos. Basan su funcionamiento en los contadores, relés, pulsadores, conmutadores, etc., pero siguen empleando elementos mecánicos.
• Neumáticos. Su funcionamiento es por aire comprimido y emplean elementos como los cilindros, válvulas neumáticas, electroválvulas, utilizando también elementos mecánicos y eléctricos en su estudio elementos empleados en automatismos eléctricos.
2.2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS AUTOMÁTICOS
Según el autor referido anteriormente, las características de la automatización se basan debido al criterio en el que se está empleando. Este autor expone la siguiente tabla:
Cuadro 1.
Características de los sistemas automáticos
Criterio Eléctrico Neumático Hidráulico
Fuerza lineal Mal rendimiento Max. 4000kp Grandes fuerzas
Fuerza rotativa Bajo par en reposo Alto par en reposo, sin consumo
Alto par en reposo, con alto consumo Movimiento lineal Complicado y caro Fácil generación. Difícil
regulación
Fácil generación. Buena regulación Movimiento rotativo Buen rendimiento Mal rendimiento Buen rendimiento. Bajas
revoluciones Regulabilidad Grandes limitaciones Fácil regulación fuerza y
velocidad
Fácil regulación incluso a la velocidad lenta Acumulación y transporte
de energía
Muy fácil transporte Difícil acumulación
Fácil transporte acumulación limitada
Muy limitado transporte y acumulación
Cuadro 1.
Características de los sistemas automáticos (continuación)
Criterio Eléctrico Neumático Hidráulico
Influencias ambientales
Insensible temperatura peligro en ambientes
explosivos
Insensible temperaturas no peligro ambientes
explosivos
Sensible temperatura posible fugas Coste Bajo coste energéticos Alto coste energético Alto coste energético Manejo Por personal técnico Personal no cualificado Personal técnico por las
altas presiones Sobre cargas No admite sobrecarga Admite sobre cargas Admite sobrecargas
Fuente: Gómez (2006)
2.2.3. OBJETIVOS DE LOS SISTEMAS AUTOMÁTICOS
Según Gómez (2007), entre los objetivos de la automatización se mencionan:
• Búsqueda de reducción de costos (mano de obra, energía y materiales).
• Disminución de riesgos y mejoras en el ambiente de trabajo.
• Búsqueda de una mejor calidad del producto.
• Realización de operaciones imposibles de controlar manualmente (operaciones muy veloces y complejas, etc.)
2.2.4. VENTAJAS DE LOS SISTEMAS AUTOMÁTICOS
Los sistemas automáticos aportan una gran ventaja tanto a nivel industrial como a nivel residencial, ya que es indispensable la operación automática de maquinas y dispositivos permitiéndonos así la facilidad de no intervenir en dicho proceso.
2.2.5. ELEMENTOS DE LOS SISTEMAS AUTOMÁTICOS
Gómez (2007, p.72), basándose específicamente en el automatismo eléctrico menciona dos elementos importantes:
Entrada (contactos):
• Interruptor: Elemento electromecánico de conexión y desconexión al
que hay que accionar para activarlo y también para desactivarlo. Su nombre atendiendo a las normas es “pulsador con enclavamiento”.
• Pulsador: Elemento electromecánico de conexión y desconexión. Para
activarlo hay que actuar sobre él, pero al eliminar la actuación, el pulsador se desactiva por sí mismo.
• Final de carrera: (También conocido como "interruptor de límite") o
limit switch, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA o NO en inglés), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados, de ahí la gran variedad de finales de carrera que existen en mercado.
Salida (receptores):
• Motor: Es la parte de una máquina capaz de transformar cualquier tipo de energía (eléctrica, de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar un trabajo. En los automóviles este efecto es una fuerza
que produce el movimiento.
• Lámparas: Son aparatos que sirven de soporte y conexión a la red eléctrica a los dispositivos generadores de luz (llamados a su vez lámparas, bombillas o focos). Como esto no basta para que cumplan eficientemente su función, es necesario que cumplan una serie de características ópticas, mecánicas y eléctricas entre otras.
• Contactor: Es un interruptor mandado a distancia que vuelve a la posición de reposo cuando la fuerza de accionamiento deja de actuar sobre él”. El contactor se utiliza para la conexión de elementos de potencia y nos permitirá la automatización de nuestras maniobras.
• Relés: El relé o relevador, es un dispositivo electromecánico. Funciona
como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.
2.2.6. COMPONENTES DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO
En cuanto al automatismo eléctrico, Gómez (2007, p.75), menciona que los componentes de un sistema automático lo conforman dos partes esenciales los cuales son los circuitos de mando y de potencia:
Circuito de mando: Es el encargado de controlar el funcionamiento del contactor. Normalmente consta de elementos de mando (pulsadores,
interruptores, etc. identificados con la primera letra con una S), elementos de protección, bobinas de contactores, temporizadores y contactos auxiliares.
Este circuito está separado eléctricamente del circuito de potencia, es decir, que ambos circuitos pueden trabajar a tensiones diferentes, por ejemplo, el de potencia a 380 V de c.a. y el de mando a 220 V de CA.
Representa el circuito auxiliar de control. Lo integran los siguientes elementos: Contactos auxiliares de mando y protección, Circuitos y componentes de regulación y control, Equipos de medida, Dispositivos de señalización.
Los componentes que se encuentran en el circuito de mando son:
Pulsadores, Interruptores, Conmutadores, Detectores de posición, Detectores de proximidad, Detectores fotoeléctricos, Contactores y relés.
Circuito de potencia: es el encargado de alimentar al receptor (p.e.
motor, calefacción, electrofreno, iluminación, etc.). Está compuesto por el contactor (identificado con la letra K), elementos de protección (identificados con la letra F como pueden ser los fusibles F1, relé térmico F2, relés magnetotérmicos, etc.) y un interruptor trifásico general (Q). Dicho circuito estará dimensionado a la tensión e intensidad que necesita el motor.
Representa el circuito encargado de alimentar los receptores de gran consumo. Lo integran los siguientes elementos: Elemento para abrir o cerrar el circuito de potencia, Elementos de protección, Receptores.
Los componentes que se encuentran en el circuito de potencia son:
Interruptores, Seccionadores Fusibles.
• Interruptores automáticos de protección: Relé térmico, Relé electromagnético, Relé diferencial, Contactores principales, Receptores de gran consumo (motores), Interruptor circuito de potencia.
De acuerdo a los componentes señalados anteriormente, un sistema automático es aplicable en todo proceso en el cual se requiera exactitud y precisión, independientemente de las variables que se deseen controlar al igual en procesos donde se quiera la facilidad de la no intervención del hombre.
2.3. GENERADORES DE ELECTRICIDAD
Según Stephen J. (1996), los generadores de electricidad son maquinas que tiene una o varias partes capaces de sufrir movimiento rotatorio y que dependen del fenómeno físico de la inducción electromagnética para transformar energía cinética en energía eléctrica.
2.3.1. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS GENERADORES ELÉCTRICOS
Según Gray (1993), los generadores eléctricos se basan en la Ley de Faraday de Inducción Electromagnética, que establece que en un circuito inmóvil se produce una fuerza electromotriz (fem) o tensión inducida, expresada en voltios, proporcional a la variación del flujo magnético que afecta dicho circuito con respecto al tiempo, pudiéndose producir una
corriente a través de éste, si está cerrado adecuadamente.
Matemáticamente, la Ley de Faraday se expresa:
??? ? ? ? ?? ? ?? ? (2)
Donde el signo negativo indica que la corriente inducida en el circuito se opone a la causa que la ha generado. Además, la variación del flujo magnético es diferente a cero, y por lo tanto, se induce una tensión en el circuito, si se cumplen alguna de las siguientes condiciones: Si el flujo magnético es variable en el tiempo, si hay movimiento relativo entre un flujo constante en el tiempo, o si se cumple una combinación de las dos.
Si el circuito en cuestión es un hilo conductor enrollado de N vueltas, como en el caso de una bobina o un electroimán, la tensión inducida se determina mediante la siguiente ecuación:
??? ? ? ? ? ?? ? ?? ? (1)
2.3.2. CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE ACUERDO CON EL TIPO ELÉCTRICO
Según la Asociación Nacional de Fabricantes Electrónicos (NEMA, de sus siglas en ingles National Electrical Manufacturers Association), los generadores de electricidad, de acuerdo con el tipo de electricidad que generan, pueden ser:
2.3.2.1. GENERADORES DE CORRIENTE DIRECTA
Según la Asociación Nacional de Fabricantes Electrónicos (NEMA 1998, p. 1-12), los generadores de corriente directa son de dos tipos generales – en derivación (paralelo) y compuesto (serie- paralelo).
• Generador en derivación:
Es un generador de corriente directa en el que el circuito de campo está conectado en paralelo con el circuito de armadura o a una fuente distinta de voltaje de excitación. Así, por lo general la excitación del devanado de campo proviene total o parcialmente del voltaje de línea que se ha generado entre las escobillas del devanado de armadura.
De otro punto de vista siendo la dinamo shunt una maquina autoexitada, empezará a desarrollar su voltaje partiendo del magnetismo residual tan pronto como el inducido empiece a girar. Después a medida que el inducido va desarrollando voltaje este envía corriente a través del inductor aumentando el número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal.
• Generador compuesto:
Es un generador de corriente directa que tiene dos arrollamientos de campo distintos, uno de los cuales se conecta en serie con el devanado de armadura para ser excitado por la corriente de armadura o de línea, mientras que el otro – normalmente el más potente – se conecta igual que en el generador en derivación (en paralelo) para ser excitado por el voltaje entre
las terminales de armadura.
2.3.2.2. GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA
Según la Asociación Nacional de Fabricantes Electrónicos NEMA (1998, p. 1-11), los generadores de corriente alterna pueden ser de dos tipos básicos: síncronos o asíncronos (de inducción).
• Generadores síncronos:
Son los generadores básicos de corriente alterna, se les conoce como síncronos porque la frecuencia de la energía eléctrica generada es directamente proporcional a la velocidad de giro del rotor. Debido a esto, es preciso mantener constante la velocidad de giro de la maquina motriz primaria en este tipo de generadores, ya que cualquier alteración de la velocidad se verá reflejada, en la misma proporción, en la frecuencia de la señal eléctrica generada.
• Generadores asíncronos:
Son en esencia, motores trifásicos conducidos por una maquina motriz (turbina, motor diesel, entre otros) a una velocidad ligeramente mayor que la de sincronismo, pudiendo producir energía eléctrica solo cuando su estator recibe una tensión determinada. Para su excitación, requieren de una corriente netamente reactiva, proporcionada por un generador principal síncrono, lo cual constituye una desventaja ya que disminuye el factor de potencia del generador principal. Por otra parte, esta carencia de autonomía
les permite alimentar la red con una corriente totalmente activa, a la frecuencia de trabajo, sin importar que la velocidad de este generador sea diferente y prescindiendo de dispositivos de arranque, sincronización y regulación. Este tipo de generadores se utiliza solo en centrales de reserva o para cubrir consumos pico, conectados en paralelo con grandes generadores síncronos.
2.4. ELECTRICIDAD
Según Boylestad (2003), la electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros, en otras palabras es el flujo de electrones. Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una parte).
Otros mecanismos eléctricos naturales se pueden encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y asimismo de todos los dispositivos electrónicos. Además es esencial para la producción de sustancias químicas como el aluminio y el cloro.
También se denomina electricidad a la rama de la física que estudia las
leyes que rigen el fenómeno y a la rama de la tecnología que la usa en aplicaciones prácticas. Desde que, en 1831, Faraday descubriera la forma de producir corrientes eléctricas por inducción, fenómeno que permite transformar energía mecánica en energía eléctrica, se ha convertido en una de las formas de energía más importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación y distribución y a su gran número de aplicaciones.
La electricidad es originada por las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento, y las interacciones entre ellas. Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo se ejercen entre ellas fuerzas electrostáticas.
Cuando las cargas eléctricas están en movimiento relativo se ejercen también fuerzas magnéticas. Se conocen dos tipos de cargas eléctricas:
positivas y negativas. Los átomos que conforman la materia contienen partículas subatómicas positivas (protones), negativas (electrones) y neutras (neutrones). También hay partículas elementales cargadas que en condiciones normales no son estables, por lo que se manifiestan sólo en determinados procesos como los rayos cósmicos y las desintegraciones radiactivas.
Debido a las crecientes aplicaciones de la electricidad como vector energético, como base de las telecomunicaciones, aplicaciones en la vida cotidiana y para el procesamiento de información, uno de los principales desafíos contemporáneos es generarla de modo más eficiente y con el mínimo impacto ambiental.
2.4.1. CARGA ELÉCTRICA
Según Boylestad (2003), la carga eléctrica es una propiedad que poseen algunas partículas subatómicas y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos.
2.5. MICROCONTROLADORES
Según Angulo (2000) son circuitos integrados que incorporan todos los bloques funcionales de un Sistema Microprocesador en un único encapsulado. El microcontrolador Interpreta (decodifica) combinaciones de bits (instrucciones) y genera señales digitales internas y/o externas para ejecutar de manera continua una secuencia de instrucciones (programa) que permita controlar un sistema o subsistema electrónico.
Figura 1: Microcontrolador PIC16F877 Fuente: www.todopic.com (2000)
2.6. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL PIC16F877
La siguiente es una lista de las características que comparte el PIC16F877 con los dispositivos más cercanos de su familia:
• CPU RISC.
• Sólo 35 instrucciones que aprender.
• Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de reloj, excepto los saltos que requieren dos.
• Frecuencia de operación de 0 a 20 MHz (DC a 200 nseg de ciclo de
instrucción).
• Hasta 8k x 14 bits de memoria Flash de programa.
• Hasta 368 bytes de memoria de datos (RAM).
• Hasta 256 bytes de memoria de datos EEPROM.
• Hasta 4 fuentes de interrupción.
• Stack de hardware de 8 niveles.
• Reset de encendido (POR).
• Timer de encendido (PWRT).
• Timer de arranq ue del oscilador (OST).
• Sistema de vigilancia Watchdog timer.
• Protección programable de código.
• Modo SEP de bajo consumo de energía.
PIC16F873 PIC16F874 PIC16F876 PIC16F877
• Opciones de selección del oscilador.
• Programación y depuración serie “In-Circuit” (ICSP) a través de dos patitas.
• Lectura/escritura de la CPU a la memoria flash de programa.
• Rango de voltaje de operación de 2.0 a 5.5 volts.
• Alta disipación de corriente de la fuente: 25mA.
• Rangos de temperatura: Comercial, Industrial y Extendido.
• Bajo consumo de potencia:
Menos de 0.6mA a 3V, 4 Mhz 20 µA a 3V, 32 Khz
Menos de 1µA corriente de standby.
Periféricos
• Timer0: Contador/Temporizador de 8 bits con pre-escalador de 8 bits
• Timer1: Contador/Temporizador de 16 bits con pre-escalador
• Timer0: Contador/Temporizador de 8 bits con pre-escalador y post- escalador de 8 bits y registro de periodo.
• Dos módulos de Captura, Comparación y PWM.
• Convertidor Analógico/Digital: de 10 bits, hasta 8 canales.
• Puerto Serie Síncrono (SSP).
• Puerto Serie Universal (USART/SCI).
• Puerto Paralelo Esclavo (PSP): de 8 bits con líneas de protocolo.
2.7. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PIC16F877
En la siguiente figura se muestra a manera de bloques la organización interna del PIC16F877, Se muestra también junto a este diagrama su diagrama de patitas, para tener una visión conjunta del interior y exterior del Chip.
Se puede observar la cantidad de pines contiene el integrado PIC16F877 son 40 en total, se puede donde posee el pin MCLR que es el pin de reset total del PIC, se observa los pines de alimentación.
Figura 2: Diagrama de pines del PIC16F877 Fuente: Angulo (2000)
El siguiente diagrama muestra muy detalladamente el comportamiento interno del PIC16F877, se puede observar cómo trabaja cuando realiza instrucciones, cuando se aplican timer, los pasos que realiza para guardar el
programa en su memoria interna , etc.
Figura 3: Diagrama de bloques de la organización interna del PIC16F877
Fuente: Angulo (2000)
2.8. OSCILADOR
Los PIC de rango medio permiten hasta 8 diferentes modos para el oscilador. El usuario puede seleccionar alguno de estos 8 modos programando 3 bits de configuración del dispositivo denominados:
FOSC2, FOSC1 y FOSC0. En algunos de estos modos el usuario puede indicar que se genere o no una salida del oscilador (CLKOUT) a través de una patita de Entrada/Salida. Los modos de operación se muestran en la siguiente lista:
• LP Baja frecuencia (y bajo consumo de potencia)
• XT Cristal / Resonador cerámico externos, (Media frecuencia)
• HS Alta velocidad (y alta potencia) Cristal/resonador
• RC Resistencia / capacitor externos (mismo que EXTRC con
CLKOUT)
• EXTRC Resistencia / capacitor externos
• EXTRC Resistencia / Capacitor externos con CLCKOUT
• INTRC Resistencia / Capacitor internos para 4 MHz
• INTRC Resistencia / Capacitor internos para 4 MHz con CLKOUT
Los tres modos LP, XT y HS usan un cristal o resonador externo, la diferencia sin embargo es la ganancia de los drivers internos, lo cual se ve reflejado en el rango de frecuencia admitido y la potencia consumida. En la siguiente tabla se muestran los rangos de frecuencia así como los
capacitores recomendados para un oscilador en base a cristal.
Cuadro 2
Rangos de frecuencia y capacitores recomendados para un oscilador en base a cristal
Fuente: Angulo (2000)
Cristal externo: En los tres modos mostrados en la tabla anterior se puede usar un cristal o resonador cerámico externo. En la siguiente figura se muestra la conexión de un cristal a las patitas OSC1 y OS2 del PIC.
Figura 4: Conexión de un cristal a los pines OSC1 y OS2 del PIC.
Fuente: Angulo (2000)
MODO FRECUENCIA
TÍPICA
CAPACITORES RECOMENDADOS
C1 C2
LP
32 khz
200 khz
68 a 100 pf 15 a 30 pf
68 a 100 pf 15 a 30 pf XT
100 khz 2 Mhz 4 Mhz
68 a 150 pf 15 a 30 pf 15 a 30 pf
150 a 200 pf 15 a 30 pf 15 a 30 pf
HS
8 Mhz 10 Mhz 20 Mhz
15 a 30 pf 15 a 30 pf 15 a 30 pf
15 a 30 pf 15 a 30 pf 15 a 30 pf
Circuito RC externo: En los modos RC y EXTRC el PIC puede generar su señal oscilatoria basada en un arreglo RC externo conectado a la patita OSC1 como se muestra en la siguiente figura:
Figura 5: Circuito RC externo conectado a la patita OSC1 del PIC Fuente: Angulo (2000)
Este modo sólo se recomienda cuando la aplicación no requiera una gran precisión en la medición de tiempos.
Rangos: La frecuencia de oscilación depende no sólo de los valores de Rext y Cext, sino también del voltaje de la fuente Vdd. Los rangos admisibles para resistencia y capacitor son:
Rext: de 3 a 100 Kohms Cext: mayor de 20 pf
Oscilador externo: También es posible conectar una señal de reloj generada mediante un oscilador externo a la patita OSC1 del PIC. Para ello el PIC deberá estar en uno de los tres modos que admiten cristal (LP, XT o HS). La conexión se muestra en la siguiente figura:
Figura 6: Oscilador externo Fuente: Angulo (2000)
Oscilador interno de 4Mhz: En el modo INTRC el PIC usa un arreglo RC interno que genera una frecuencia de 4 Mhz con un rango de error calibrable de ± 1.5%. Para calibrar el error de oscilación se usan los bits CAL3, CAL2, CAL1 Y CAL0 del registro OSCCAL.
2.9. DESCRIPCIÓN DE LA CPU
La CPU es la responsable de la interpretación y ejecución de la información (instrucciones) guardada en la memoria de programa. Muchas de estas instrucciones operan sobre la memoria de datos. Para operar sobre la memoria de datos además, si se van a realizar operaciones lógicas o aritméticas, requieren usar la Unidad de Lógica y Aritmética (ALU). La ALU controla los bits de estado (Registro STATUS), los bits de este registro se alteran dependiendo del resultado de algunas instrucciones.
Ciclo de instrucción: El registro Program Counter (PC) es gobernado por el ciclo de instrucción como se muestra en la siguiente figura. Cada ciclo de instrucción la CPU lee (ciclo Fetch) la instrucción guardada en la memoria de programa apuntada por PC y al mismo tiempo ejecuta la instrucción anterior, esto debido a una cola de instrucciones que le permite ejecutar una instrucción mientras lee la próxima:
Figura 7: Ciclo de instrucción Fuente: Angulo (2000)
Como puede verse, cada ciclo de instrucción (Tcy) se compone a su vez de cuatro ciclos del oscilador (Tosc). Cada ciclo Q provee la sincronización para los siguientes eventos:
Q1: Decodificación de la instrucción Q2: Lectura del dato (si lo hay)
Q3: Procesa el dato Q4: Escribe el dato
Debido a esto cada ciclo de instrucción consume 4 ciclos de reloj, de
manera que si la frecuencia de oscilación es Fosc, Tcy será 4/Fosc.
2.10. CONJUNTO DE INSTRUCCIONES
En la siguiente tabla se resumen las 35 instrucciones que reconoce la CPU de los PIC de medio rango, incluyendo su mnemónico, tiempo de ejecución, código de máquina y afectación de banderas:
Cuadro 3
Set de instrucciones, mnemónico, descripción, ciclos, código de máquina y banderas afectadas
Fuente: Angulo (2000).
Formato General de las Instrucciones
Cada instrucción en lenguaje de máquina (binario) del PIC contiene un código de operación (opcode ) el cual puede ser de 3 a 4 o 6 bits, dependiendo del tipo de instrucción.
A continuación se describe el formato para cada tipo de instrucción de los PIC de rango medio:
Operaciones con el archivo de registros orientadas a bytes.
Figura 8: Operaciones con el archivo de registros orientadas a bytes Fuente: Angulo (2000)
El bit d especifica el destino del resultado de la operación:
d = 0: destino W d = 1: destino f
f = dirección de 7 bits del archivo de registros.
Operaciones con el archivo de registros orientadas a bits.
Figura 9: Operaciones con el archivo de registros orientadas a bits Fuente: Angulo (2000)
b : Especificación en tres bits del bit sobre el que se va a operar f = dirección de 7 bits del archivo de registros.
Operaciones con literales y de control Formato general:
Figura 10: Operaciones con literales y de control Fuente: Angulo (2000)
k : Literal = Valor de un operando de 8 bits
Formato para CALL y GOTO:
Figura 11: Operaciones con literales y de control Fuente: Angulo (2000)
k : Literal = Valor de un operando de 8 bits
2.11. ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA DEL PIC
Los PIC tienen dos tipos de memoria: Memoria de Datos y Memoria de programa, cada bloque con su propio bus: Bus de datos y Bus de programa;
por lo cual cada bloque puede ser accesado durante un mismo ciclo de oscilación.
La Memoria de datos a su vez se divide en:
• Memoria RAM de propósito general.
• Archivo de Registros (Special Function Registers (SFR)).
2.11.1. LA MEMORIA DE PROGRAMA
Los PIC de rango medio poseen un registro Contador del Programa (PC) de 13 bits, capaz de direccionar un espacio de 8K x 14, como todas las instrucciones son de 14 bits, esto significa un bloque de 8k instrucciones. El bloque total de 8K x 14 de memoria de programa está subdividido en 4 páginas de 2K x 14. En la siguiente figura se muestra esta organización.
Figura 12: Organización de la memoria de programa Fuente: Angulo (2000)
Vector de Reset: Cuando ocurre un reset el contenido del PC es forzado a cero, ésta es la dirección donde la ejecución del programa continuará
después del reset, por ello se le llama “dirección del vector de reset”.
Vector de interrupción: Cuando la CPU acepta una solicitud de interrupción ejecuta un salto a la dirección 0004h, por lo cual a esta se le conoce como “dirección del vector de interrupción”. El registro PCLATH no es modificado en esta circunstancia, por lo cual habrá que tener cuidado al manipular el PC dentro de la Rutina de Atención a la Interrupción (Interrupt Service Routine (ISR)).
Contador del Programa (PC): El registro contador del programa (PC) especifica la dirección de la instrucción que la CPU buscará (fetch) para ejecutarla. El PC consta de 13 bits, separados en dos partes: como se muestra en la figura siguiente:
Figura 13: Registro contador del programa (PC) Fuente: Angulo (2000)
El byte de orden bajo es llamado el registro PCL, mientras que el byte de orden alto es llamado registro PCH. Este último contiene los bits PC<12:8> y no se puede leer o escribir directamente Todas las actualizaciones al registro PCH deben ser hechas a través del registro PCLATH.
Paginación: Para saltar entre una página y otra, los bits más significativos del PC deberán ser modificados. Debido a que las instrucciones
GOTO y CALL sólo pueden direccionar un bloque de 2K (pues usan una dirección de 11 bits) deben existir otros dos bits que acompleten los 13 bits del PC para moverse sobre los 8K de memoria de programa.
Estos dos bits extra se encuentran en un SFR denominado PCLATH (Program Counter Latch High) en sus bits PCLATH<4:3 >. Por esto antes de un GOTO o un CALL el usuario deberá asegurarse que estos bits apunten a la página deseada. Si las instrucciones se ejecutan secuencialmente el PC cruza libremente los límites de página sin necesidad de que el usuario escriba en el PCLATH.
Memoria de Stack: La memoria de stack es una area de memoria completamente separada de la memoria de datos y la memoria de programa.
El stack consta de 8 niveles de 13 bits cada uno. Esta memoria es usada por la CPU para almacenar las direcciones de retorno de subrutinas. El apuntador de stack no es ni legible ni escribible.
Cuando se ejecuta una instrucción CALL o es reconocida una interrupción el PC es guardado en el stack y el apuntador de stack es incrementado en 1 para apuntar a la siguiente posición vacía. A la inversa, cuando se ejecuta una instrucción RETURN, RETLW o RETFIE el contenido de la posición actual del stack es colocado en el PC.
2.11.2. LA MEMORIA DE DATOS
La memoria de datos consta de dos áreas mezcladas y destinadas a
funciones distintas:
• Registros de Propósito Especial (SFR)
• Registro de Propósito General (GPR)
Los SFR son localidades asociadas específicamente a los diferentes periféricos y funciones de configuración del PIC y tienen un nombre específico asociado con su función. Mientras que los GPR son memoria RAM de uso general.
Bancos de memoria
Toda la memoria de datos está organizada en 4 bancos numerados 0, 1, 2 y 3. Para seleccionar un banco se debe hacer uso de los bits del registro STATUS<7:5> denominados IRP, RP1 y RP0.
Hay dos maneras de acceder a la memoria de datos:
Direccionamiento directo e indirecto . La selección de bancos se basa en la siguiente tabla:
Cuadro 4 Selección de bancos DIRECCIONAMIENTO
INDIRECTO (IRP) RP1:RP0 BANCO
0 00 0
01 1
1 10 2
11 3
Fuente: Angulo (2000)
Cada banco consta de 128 bytes (de 00h a 7Fh). En las posiciones más bajas de cada banco se encuentran los SFR, y arriba de éstos se encuentran
los GPR. Toda la memoria de datos está implementada en Ram estática.
Direccionamiento Directo: Para acceder una posición de memoria mediante direccionamiento directo, la CPU simplemente usa la dirección indicada en los 7 bits menos significativos del código de operación y la selección de banco de los bits RP1:RP0.
Direccionamiento indirecto: Este modo de direccionamiento permite acceder una localidad de memoria de datos usando una dirección de memoria variable a diferencia del direccionamiento directo, en que la dirección es fija. Esto puede ser útil para el manejo de tablas de datos.
El Archivo de Registros: Aunque el archivo de registros en RAM puede variar de un PIC a otro, la familia del PIC16F87x coincide casi en su totalidad. En la siguiente figura se muestra a detalle el mapa de este archivo de registros y su organización en los cuatro bancos que ya se describieron.
La siguiente figura muestra el mapa de registros del PIC16F877 donde se puede observar las direcciones y en que banco de memoria se ubican los registros ya sean de propósito general o específico.
Existen direcciones que aparecen en azul esos registros para lectura son cero (0), pero ocupan espacio en la memoria.
Con respecto a los registros de propósito general ellos tienen su espacio en la memoria para el banco 0 va desde la dirección 20h hasta la 7Fh, banco1 desde A0h hasta FFh, banco2 desde 110h hasta 17fh y banco 3 190h hasta 1FFh donde se puede crear la cantidad de registro y colocarlo en cualquiera de los bancos.
Figura 14: Mapa de registros Fuente: Angulo (2000)
3.1SISTEMA DE VARIABLE
Para los efectos de la presente investigación las variables a utilizar son:
sistema automático y transferencia de carga eléctrica, las cuales se definirán de manera conceptual y operacional.
1.1. SISTEMA AUTOMÁTICO
3.1.1 DEFINICIÓN CONCEPTUAL
El término Sistema Automático se refiere a una amplia variedad de sistemas y procedimientos que operan con poca o ninguna intervención humana. (Astrom K.1988).
3.1.2 DEFINICIÓN OPERACIONAL
Es aquel que está compuesto por dispositivos físicos de procesamiento de información analógica y digital, que unido a un conjunto de elementos de programación permiten ejecutar las fases de medida, evaluación y control de un procedimiento determinado.
3.2 TRANSFERENCIA DE CARGA ELÉCTRICA
3.2.1 DEFINICIÓN CONCEPTUAL
Según Boylestad (2003) transferencia de carga es cuando se pone un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó.
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El mismo autor refiere que la carga eléctrica es una propiedad que poseen algunas partículas subatómicas y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro interacciones fundamentales, la interacción electromagnética. La partícula que transporta la información de estas interacciones es el fotón.
Según la definición de transferencia de carga y carga eléctrica se puede dar como concepto: Es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo cargado eléctricamente hace contacto con un conductor obteniendo como resultado el cambio de electrones positivos. Trasladando ese campo eléctrico hacia el conductor.
3.2.2 DEFINICIÓN OPERACIONAL
Operacionalmente, transferencia es el paso de la carga de un sistema generador de energía eléctrica a otro sistema alterno, por medio de un arreglo de conductores para llegar a tal fin.
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