UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA CONTROL AUTOMÁTICO Y MONITORIZACIÓN REMOTA DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS RESIDENCIALES MEDIANTE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL CON LABVIEW TESIS Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTA: Luis Antonio Fernández Orea DIRECTOR: Dr. Alfredo Ramírez Ramírez XALAPA, VER. AGOSTO,

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3 Agradecimientos Doy gracias a Dios por permitirme culminar esta etapa de mi preparación profesional. Dedico este trabajo a: mi hermana Yerania, a mis padres y amigos, Nancy y Beto. Por el apoyo que me han brindado incondicionalmente, porque me han manifestado su cariño y transmitido sus ánimos por medio de la unidad familiar para convertir cada reto en un logro y cada error en una experiencia de aprendizaje. Por su profesionalismo agradezco al profesor Dr. Alfredo Ramírez Ramírez que más que mi director de tesis representó un amigo y guía, para dirigirme en la elaboración de este proyecto. Es preciso dar gracias a los miembros del Cuerpo Académico de Ingeniería Avanzada por la confianza y la oportunidad de aprender bajo su dirección. Porque ser Ingeniero Mecánico Electricista no es un logro personal, sino el conjunto de esfuerzos canalizados por las personas que me brindaron su apoyo y confianza. Por esto debo decir a mis seres queridos no citados y a los ya mencionados: Gracias, gracias, muchas gracias! 3

4 Índice Introducción... 8 Justificación... 9 Objetivos generales Objetivos específicos Marco teórico Hipótesis Instalacciones Eléctricas Generalidades Clasificación de instalaciones eléctricas Por el nivel de voltaje predominante Por la forma de instalación Por el lugar de la instalación Elementos que constituyen una instalación eléctrica Simbología Diseño de una instalación eléctrica residencial Localización de cargas, dispositivos de control y protección Diagramas de circuitos eléctricos básicos: receptáculos, lámparas con sus interruptores Cálculo y selección de conductores Cálculo y selección de protecciones Software LabVIEW Generalidades de la programación gráfica Ambiente de trabajo de LabVIEW Interfaz de la Instrumentación virtual Estructuras Vision and motion, Measurement I/O y Signal processing Aplicaciones Desarrollo de la investigación Elaboración de la instalación eléctrica residencial Adquisición de datos e instrumentos de control Medición de corriente Medición de voltaje Configuración de terminales

5 Programación en el diagrama de bloques Panel frontal Control remoto del instrumento virtual Configuración del Web Publishing Tools Análisis de resultados Conclusiones Propuestas de trabajo a futuro Glosario Acrónimos Apéndice A Apéndice B Apéndice C Referencias bibliográficas

6 Índice de figuras Figura 1.1 Vista de una acometida tipo monofásica de una instalación eléctrica residencial15 Figura 1.2. Esquema arquitectónico de una casa-habitación Figura 1.3. Trazo de las canalizaciones hacia cada elemento del circuito eléctrico residencial Figura 1.4. Diagrama unifilar de la instalación eléctrica de la vivienda Figura 1.5. Diagrama esquemático de conexión básica de un circuito, lámpara incandescente de techo con su interruptor Figura 1.6. Diagrama eléctrico de una lámpara incandescente controlada con un interruptor sencillo Figura 1.7. Diagrama eléctrico de dos lámparas y un contacto Figura 1.8. a) Interruptorde seguridad, b) Centro de carga Figura 2.1. Elementos de un Instrumento Virtual: panel frontal, a la izquierda; diagrama de bloques y el icono/conector, a la derecha Figura 2.2. Pantallas al ejecutar el icono de LabVIEW Figura 2.3. Barra de herramientas del panel de control Figura 2.4. Barra de herramientas del diagrama de bloques Figura 2.5. a) Paleta de controles del panel de control y b) paleta de funciones del diagrama de bloques Figura 2.6. Indicador gráfico tipo Graph (izquierda) y tipo Chart (derecha) Figura 2.7. Estructura While Figura 2.8. Estructura for Figura 2.9. Estructura case Figura Estructura stacked sequenced y flat sequence Figura Código para la adquisición de imágenes Figura Código de DAQ-assistant Figura Código simulate signal Figura Programa para la suma de números consecutivos Figura Programa para reproducir archivos de audio Figura 3.1. Estructura del sistema a controlar Figura 3.2. Tablero para prácticas de instalaciones eléctricas residenciales Figura 3.3. Tarjeta de adquisición de datos NI-USB Figura 3.4. Esquema eléctrico del circuito de control para el encendido/apagado Figura 3.5. Esquema eléctrico del circuito eléctrico residencial y circuito electrónico para medir el consumo de corriente de las cargas Figura 3.6. Transformadores de corriente Figura 3.7. Transformadores de potencial Figura 3.8. Circuito para atenuar la señal de voltaje Figura 3.9. Configuración de entrada analógica diferencial Figura Configuración de entrada analógica con referencia común Figura Configuración de entrada analógica sin referencia común Figura Panel de control y programación virtual del sistema Figura Elemento del VI para encender y apagar el circuito derivado Figura Código para para la adquisición de imágenes

7 Figura Primera parte del código para adquirir las señales analógicas de voltaje y corriente Figura Configuración la DAQ assistant para adquirir señales analógicas Figura 3.17.Segunda parte del código para adquirir las señales analógicas de voltaje y corriente Figura Control de modo de encendido Figura Controles de encendido y apagado automático Figura Control manual e indicador de ON/OFF Figura Indicadores gráficos y numéricos de las señales analógicas Figura Indicadores analógicos de potencia activa y reactiva Figura Interfaz de la instrumentación virtual de la instalación eléctrica residencial.. 57 Figura Configuración del Web Server Figura Configuración de Visible VIs y Browser Access del Web Server Figura Configuración para la publicación web del instrumento virtual Figura Personalización del panel de control remoto Figura 3.28.Obtención del URL y guardado del fichero Figura Circuitos derivados apagados Figura Circuitos derivados encendidos Figura Panel de control remoto desde un sitio web Figura Elementos del sistema en operación Índice de tablas Tabla 1.1 Simbología eléctrica Tabla 2.1 Tipos de datos representados en el panel frontal y en el diagrama de bloques. 32 Tabla 3.1 Valores de los parámetros eléctricos de cargas residenciales

8 Introducción Desde el inicio de un proceso técnico hasta su final se hace imprescindible su control, es decir, la supervisión de ciertos valores medidos con valores deseados para su regulación o mando. Y más aún, existe la necesidad de un control eléctrico automático donde las operaciones se realicen, con ayuda fundamental de arrancadores electromagnéticos y dispositivos pilotos, de manera precisa para que el proceso sea rápido, seguro y con un desempeño óptimo. El avance tecnológico de las telecomunicaciones, la electricidad, la electrónica y la informática han permitido, en su conjunto, el desarrollo de nuevos equipamientos de automatización para la vivienda, donde la ficción ha dejado de ser una utopía para ser una realidad tangible. Donde se pretende obtener beneficios para los usuarios de las viviendas, al gestionar servicios como: seguridad y protección, confort, ahorro energético y comunicaciones. Gracias a la generación, transmisión, distribución y comercialización de la energía eléctrica; las instalaciones eléctricas residenciales (y otros tipos) en México han modernizado las ciudades y por consiguiente la vida de sus usuarios a finales del siglo XIX. 8

9 Justificación Ahora, con el objetivo de modernizar, surge la instrumentación virtual, con apoyo de las telecomunicaciones (el internet), ésta podrá ser usada para el control de algún servicio residencial de forma remota. En este caso, la instalación de circuitos eléctricos de iluminación y fuerza de una residencia será controlada por el usuario, de acuerdo a los parámetros que sean monitoreados, voltaje y corriente. También será posible medir la potencia consumida y así racionalizar su consumo. Este proyecto se ha desarrollado en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas bajo la dirección del Cuerpo Académico de Ingeniería Eléctrica Avanzada de la Universidad Veracruzana, campus Xalapa. Los elementos para la automatización del circuito consisten en el uso de la internet, para realizar la comunicación a distancia, el manejo de una tarjeta de adquisición de datos multifuncional NI USB-6211 de 16 bits, un software para recopilar, analizar, presentar y almacenar sus mediciones. En tal caso el análisis se realiza con el software LabVIEW al ejecutar un instrumento virtual (VI). Además es necesario emplear sensores de corriente y de voltaje, un circuito de potencia para enlazar los sensores y actuadores con los circuitos derivados. Con el uso de la instrumentación virtual en residencias se pretende obtener beneficios en el ahorro energético de los sistemas instalados, seguridad de las personas y sus bienes, mejora del ambiente doméstico, aumento de la calidad de vida, salud y bienestar, etc. 9

10 Objetivos generales Controlar automáticamente y monitorear de manera remota las instalaciones eléctricas residenciales mediante instrumentación virtual para aplicarse como prácticas de laboratorios. Objetivos específicos Elaborar prototipos de instalaciones eléctricas residenciales. Realizar la programación en el software LabVIEW para monitorear y controlar de manera automática y manual las instalaciones eléctricas residenciales. Enlazar el programa de LabVIEW con la instalación eléctrica residencial a través de una tarjeta de adquisición de datos y acondicionadores de señal. Monitorear los valores de los parámetros eléctricos fundamentales de una instalación eléctrica: voltaje y corriente. Elaborar aplicaciones domóticas. Marco teórico Existe una diversidad de proyectos e investigaciones desarrolladas previamente, algunas patentadas y otras no, se mencionarán algunas aportaciones que nos han brindado los pioneros de los fundamentos de la tecnología que hasta el día de hoy conocemos. El inglés Charles Babbage, uno de los precursores de la automatización o de la automática, en 1822 expuso un prototipo rudimentario nombrada máquina diferencial, ésta realizaba cálculos e imprimía tablas de funciones aritméticas y lógicas con la combinación de dos máquinas digital y analítica (Messadié, 1988, pp ). En 1901 uno de los primeros intentos de controlar algún proceso concatenando los medios eléctricos, electrónicos e informáticos disponibles en su época fue el ingeniero español 10

11 Leonardo Torres-Quevedo, quien desarrollo un sistema de control remoto llamado Telekino, capaz de hacer movimientos mecánicos a distancia, en el cual se han establecido los principios modernos de funcionamiento inalámbrico de control remoto (Pérez Yuste y Salazar Palma, 2008). Entre diversas discusiones por la autoría de la invención del piloto automático señala (Dulken, 2002, pp. 90) que en 1925 Frederick Meredith presentó el Piloto automático, aparato para mantener automáticamente el vuelo y el rumbo correcto. (Val Dulken, 2002, pp. 232) los teléfonos celulares, aparatos que funcionan sin cable, gracias a unas redes de células que se encuentran alrededor de cada estructura aérea, presentado el 25 de mayo de 1989 por Jouko Tattari, para Nokia Mobile Phones Ltd., Salo, Finlandia. Y más recientemente surgen conceptos como domótica, inmótica y edificios inteligentes en algunos países. El origen de la domótica se remonta a los a los años setentas, cuando aparecieron los primeros dispositivos de automatización de edificios con una tecnología X- 10. En la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica campus Xalapa, Silva (2010) elaboró un control automático de un motor de corriente alterna mediante instrumentación virtual. De manera similar; se realizarán en este proyecto instrumentos virtuales para monitorear y controlar cargas eléctricas, presentes habitualmente en las casas-habitación. 11

12 Hipótesis Si se integran sistemas eléctricos y electrónicos con las tecnologías de la información se puede desarrollar el control automático y monitoreo remoto de instalaciones eléctricas residenciales, como prácticas de laboratorio para los estudiantes de la Universidad Veracruzana. 1. Instalaciones eléctricas Los países ahora miden su grado de desarrollo de acuerdo a la generación/consumo de energía eléctrica. El inicio de la generación de la energía eléctrica en México fue a partir de 1879, y su producción resulta ser de gran importancia para el desarrollo del país en distintos sectores: económico, industrial, público, agropecuario, etc. Por consecuencia surgieron las instalaciones eléctricas y por tal motivo es importante analizar en este apartado el concepto de las instalaciones eléctricas. 1.1 Generalidades De acuerdo con Bratu y Campero (1990) se le llama instalación eléctrica al conjunto de elementos que permiten transportar y distribuir la energía eléctrica desde el punto de suministro hasta los equipos que la utilicen. Entre estos elementos se incluyen: tableros, interruptores, transformadores, banco de capacitores, dispositivos sensores, dispositivos de control local o remoto, cables, conexiones, contactos, canalizaciones y soportes. Harper (2001) agrega que la instalación eléctrica debe ser: segura contra accidentes e incendios, eficiente y económica, accesible y fácil de mantenimiento, y además, tendrá que cumplir con los requisitos técnicos que fije el reglamento de obras e instalaciones. Las instalaciones eléctricas pueden ser abiertas (conductores visibles), aparentes (en ductos o tubos), ocultas (dentro de paneles o falsos plafones), o ahogadas (en muros techos o pisos). 12

13 1.2. Clasificación de instalaciones eléctricas A continuación se dan a conocer los distintos criterios para clasificar las instalaciones eléctricas: sus niveles de voltaje, por la forma de instalación y por el lugar de la instalación Por el nivel de voltaje predominante. a) Baja tensión: valores de voltaje menores a los 1000 volts, destinados para las instalaciones residenciales. b) Media Tensión: para valores comprendidos entre los 1000 y volts, se aplica en instalaciones industriales, en el interior de las fábricas, que por lo general son de mayor potencia comparadas con la anterior. c) Instalaciones comerciales, que respecto a su potencia son de tamaño comprendido entre baja tensión y media tensión. d) Instalaciones en edificios, ya sea de oficinas, residencias, departamentos o cualquier otro uso, y que pudieran tener su clasificación por separado de las anteriores. e) Hospitales. f) Instalaciones especiales Por la forma de instalación. a) Visible, la que se puede ver directamente. b) Oculta, la que no se logra ver por estar dentro de muros, pisos, techos, etc., de los locales. c) Aérea, la que está formada por conductores paralelos, soportados por aisladores, que usan el aire como aislante, pudiendo estar los conductores desnudos o forrados. En algunos casos de denomina también línea abierta. d) Subterránea, la que va bajo el piso, cualquiera que sea la forma de soporte o material del piso. 13

14 Por el lugar de la instalación. Las instalaciones eléctricas también pueden clasificarse en normales y especiales según, el lugar donde se ubiquen: a) Las instalaciones normales pueden ser interiores o exteriores. Las que están a la intemperie deben de tener los accesorios necesarios (cubiertas, empaques y sellos) para evitar la penetración del agua de lluvia aun en condiciones de tormenta. b) Se consideran instalaciones especiales a aquellas que se encuentran en áreas con ambiente peligroso, excesivamente húmedo o con grandes cantidades de polvo no combustible Elementos que constituyen una instalación eléctrica Los materiales utilizados en una instalación eléctrica residencial, baja tensión, dependerá del tipo de demanda contrata por el usuario ante la compañía suministradora, puede ser de tipo monofásico (demanda menor o igual a 5 kw), bifásico (menor o igual a 10 kw) y trifásica (menor o igual a 25 kw). Acometida: Conductores de acometida que conecta la red del suministrador al alambrado del inmueble a servir. También puede ser aérea o subterránea. 14

15 1.80 m 4.80 m Fase Neutro Interruptor de seguridad. Varilla de tierra Figura 1.1 Vista de una acometida tipo monofásica de una instalación eléctrica residencial Equipo de medición: Es el instrumento colocado en la acometida, véase la figura 1.1, con el fin de cuantificar el consumo de energía eléctrica del cliente según el tipo de contrato. Es propiedad de la empresa suministradora, en México, Comisión Federal de Electricidad (CFE), debe estar ubicado en un lugar visible para su lectura. Además puede ser analógico o digital. Interruptores: Un interruptor es un dispositivo por medio del cual se abre o se cierra un circuito eléctrico por el cual circula una corriente. Interruptor de seguridad (general o principal): Es el que está ubicado entre la acometida y el resto de la instalación, inmediatamente después del instrumento de medición. Sirve como medio de conexión-desconexión y protección de la red suministradora. Interruptor derivado: Son los que están colocados para proteger y desconectar alimentadores de circuitos que energizan eléctricamente a otras secciones de la instalación. 15

16 Interruptor Termomagnético: Es un medio de protección (contra sobrecarga de circuitos o cargas) y desconexión a base de elementos mecánicos termomagnéticos de fácil accionamiento y de rápida respuesta ante una falla eléctrica, ensamblados en caja moldeada. Sirve como control manual de una instalación. Centros de cargas: Son equipos que se emplean para la distribución de la energía, así como para conexión y desconexión de circuitos y para la protección de los mismos mediante interruptores termomagnéticos; un centro de carga se identifica por el número de circuitos derivados y por la capacidad en amperes de sus barras conductoras internas. Arrancador: Se conoce como arrancador al arreglo compuesto por interruptor, ya sea termomagnético o de navajas (cuchillas) con fusibles, un contactor electromagnético y un relevador bimetálico. El contactor consiste básicamente en una bobina con un núcleo de fierro que cierra o abre un juego de contactos al energizar o desenergizar la bobina. Carga: Es todo equipo o elemento que consume energía eléctrica de en un circuito o instalación, como un ventilador o una televisión. Conductor: Se entiende como aquel material que permite el flujo de la corriente eléctrica, permite el transporte de la energía eléctrica desde la fuente de alimentación hasta las cargas. Comúnmente en las instalaciones eléctricas se utilizan conductores, alambre o cables, de cobre (Cu) y aluminio (Al) por tener una baja resistencia. Aislante: Es aquel material que por su naturaleza química no permite el paso de electrones y se utiliza en las instalaciones eléctricas para evitar que la corriente circule por donde no se quiere, evita fallas de cortocircuitos o fugas eléctricas al circular la corriente. De esta manera dan seguridad a los equipos y a sus usuarios. Canalizaciones: Son los materiales empleados para alojar y resguardar los conductores eléctricos, los más usados son tubos conduit, ductos y charolas. 16

17 Cajas de conexiones: Son aquellos materiales por el cual se comunican las canalizaciones, en éstas se realizan las conexiones y empalmes de los conductores. Salidas para alumbrado y receptáculos: Las unidades de alumbrado (lámparas incandescentes, luminarias fluorescentes, LFC, etc.) se encuentran al final de las ramas de una instalación y transforman la energía eléctrica en energía luminosa y comúnmente en calor. Los receptáculos (contactos dentro de una chalupa) sirven para alimentar diferentes equipos mediante una clavija, conexión firme Simbología Para poder comprender los diagramas eléctricos en los planos arquitectónicos se utilizan expresiones gráficas. Existe una variedad de expresiones gráficas para representar cada elemento y equipo eléctrico; debido a esto han surgido diversas asociaciones normalizadoras que han desarrollado su propia simbología. En la Tabla 1.1 se describen algunos símbolos retomados de la simbología que maneja Rodríguez y Aguirre (2011) de una recopilación de la NMX-J-136-ANCE-2007, de la norma internacional IEC 60617, también es claro que al paso del tiempo será necesario conocer las actualizaciones que se realicen sobre estas normas. 17

18 Nombre Tabla 1.1 Simbología eléctrica Símbolo Lámpara en general Lámpara arbotante Lámpara fluorescente o luminaria en general 1 ó Receptáculo sencillo Receptáculo trifásico Apagador sencillo Apagador de tres vías o de escalera Botón pulsante Medidor Centro de carga 1 Se agregó otro símbolo al utilizado por el autor, con forma rectangular. 2 Se modificó éste símbolo, la palanca va hacia arriba. 18

19 Tablero general Interruptor de seguridad 2 Interruptor térmico (utilizado para diagrama unifilar) Caja de conexión 3 Línea por techo y pared Línea por piso Acometida Fusible 4 (utilizado para diagrama unifilar) ó Centro de distribución (el número de líneas depende del número de salidas) 2 Se modificó éste símbolo, la palanca va hacia arriba. 3 Se remplazó la figura manejada por el autor. 4 También se puede utilizar el símbolo agregado, es cuestión de que las asociaciones estandaricen los símbolos eléctricos. 19

20 1.4. Diseño de una instalación eléctrica residencial Reciben el nombre de edificios residenciales aquellas construcciones de las que se utilizan por lo menos la mitad para fines residenciales. Los edificios residenciales pueden ser de distintos tipos, dependiendo de si disponen de una o varias viviendas, según Romero, Vázquez y de Castro (2007). Con base en la descripción de edificios residenciales se puede concluir en otras palabras que una instalación eléctrica residencial es aquella que tendrá como objetivo suministrar energía eléctrica a los equipos instalados en las viviendas, para uso y manejo de los usuarios que desarrollan actividades en el hogar. Recomiendan Rodríguez y Aguirre (2011) que las viviendas por muy pequeñas o grandes que sean (y aunque el marco legal de nuestro país no lo exija) deban tener un proyecto eléctrico. Esto con la finalidad de brindar un servicio eléctrico seguro, flexible y económico, por tal motivo se contemplan los siguientes criterios. En la figura 1.2 se muestra como ejemplo un esquema arquitectónico de una vivienda, el siguiente paso es distribuir los muebles que tendrá la casa habitación sobre el mismo plano arquitectónico Figura 1.2. Esquema arquitectónico de una casa-habitación En la figura 1.3 se ubican las lámparas, contactos, interruptores, centro de carga y medidor de la instalación eléctrica dentro de la vivienda; la distribución, conexión y canalización debe realizarse por personal calificado. 20

21 Figura 1.3. Trazo de las canalizaciones hacia cada elemento del circuito eléctrico residencial Y finalmente se debe elaborar un diagrama unifilar de la instalación eléctrica de la vivienda, donde se presentan los elementos de la instalación eléctrica, desde la acometida hasta las cargas, unidos a través de una línea que representa a los conductores, tal como se muestra en la figura 1.4. del esquema arquitectónico de la figura A 2x30 A 2-10 AWG T-1/2" 12 AWG C1 1x20 A 2-12 AWG T-1/2" 12 AWG T-1/2" C2 1x15 A 2-12 AWG T-1/2" 3 Lámparas 100 W c/u 7 Receptáculos 300 W c/u 6 Lámparas 60 W c/u 2 Receptáculos 250 W c/u Figura 1.4. Diagrama unifilar de la instalación eléctrica de la vivienda 21

22 Localización de cargas, dispositivos de control y protección. Para decidir la localización de las cargas comunes de una instalación eléctrica residencial, como lámparas (en interiores y exteriores), receptáculos, salidas para motores (de bombas centrífugas, lavadoras, etc.), debe realizarse un levantamiento sobre el plano arquitectónico o en la obra; en este levantamiento el futuro usuario de la instalación debe indicar, en interiores y exteriores, la ubicación de lámparas, receptáculos, salidas para motores, receptáculos especiales (para horno de microondas, lavadora, calentadores, etc.), conforme a sus necesidades y para mayor comodidad, tratando de evitar el uso futuro de extensiones, definido por Rodríguez y Aguirre (2011). Para obtener una instalación eléctrica lo más segura y funcional posible es recomendable que el diseñador utilice alguna norma que esté dentro del marco legal como: NOM-001- SEDE-2005, Norma Oficial Mexicana Instalaciones Eléctricas (utilización) y/o NTIE, Normas Técnicas para Instalaciones Eléctricas (1981). Menciona Bratu & Campero (1990) la existencia de otras normas no obligatorias pero si recomendables para cubrir las temáticas que la NTIE no profundiza: el NEC (National Electrical Code o Código Nacional Eléctrico de Estados Unidos de Norteamérica), el LPC (Lightning Protection Code o Código de Protecciones Contra Descargas Atmosféricas de los Estados Unidos de Norteamérica), éstas pueden ayudar en el diseño de las instalaciones eléctricas. La aplicación de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005 permite seguir especificaciones y lineamientos de carácter técnico, que deben satisfacer las instalaciones eléctricas para que éstas presten condiciones adecuadas de seguridad para las personas y sus propiedades, haciendo alusión a la protección contra: choques eléctricos, los efectos térmicos, sobrecorrientes, las corrientes de falla y sobretensiones. Por lo tanto, en el diseño de instalaciones eléctricas Rodríguez y Aguirre (2011) hacen las siguientes consideraciones: 22

23 a) Las salidas para receptáculos deben instalarse a una altura de 30 a 40 cm del piso, colocando al menos dos por habitación y en muros diferentes. b) La separación entre salidas de receptáculos no debe ser mayor de 1.8 m, medida sobre la línea del suelo, siguiendo el perímetro de los muros e incluyendo puertas, chimeneas, etcétera (artículo de la norma NOM-001-SEDE-2005). c) Las salida para los receptáculos debe deben instalarse a menos 1.8 m del lugar previsto para colocar el aparato electrodoméstico que se va a alimentar (artículo de la norma NOM-001-SEDE-2005). d) En cocinas deben considerarse dos circuitos derivados de 20 A, independientes, para alimentar las salidas de los receptáculos (artículo de la norma NOM- 001-SEDE-2005). e) En la habitación de lavado debe considerarse un circuito derivado de 20 A, independientemente, para alimentar las salidas para los receptáculos (artículo de la norma NOM-001-SEDE-2005). f) En habitaciones diferentes a cocinas y cuartos de lavado, las salidas para receptáculos deben considerarse a no menos de 180 VA (artículo 220-3, inciso c7 de la norma NOM-001-SEDE-2005). g) Las salidas para interruptores deben instalarse a una altura de 1.2 a 1.4 m del piso. h) Las salidas para interruptores deben instalarse cuidando que no sean obstruidas por el abatimiento de las puertas o por algún mueble grande. i) Una de las salidas de los interruptores de tres vías o de escalera en recámaras debe localizarse cerca de las cabeceras de las camas. j) El interruptor de seguridad debe instalarse lo más próximo posible a la acometida y equipo de medición de la compañía suministradora de energía. 23

24 k) El centro de carga puede ubicarse cerca del interruptor de seguridad o dentro o dentro de la casa-habitación; en este caso deben evitarse las habitaciones húmedas o muros en los que se alojen tuberías de agua o gas. l) El interruptor de seguridad y el centro de carga deben instalarse a una altura de 1.5 a 1.6 m del piso (artículo 220-3c de la norma NOM-001-SEDE-2005). m) Las salidas para TV, teléfono e interfono deben separarse de las salidas para receptáculos e interruptores Diagramas de circuitos eléctricos básicos: receptáculos, lámparas con sus interruptores. En este apartado se muestran algunos circuitos con sus conexiones básicas que se realizan en la instalación eléctrica residencial. En la figura 1.5 se aprecia el diagrama esquemático de una conexión básica de un circuito eléctrico ubicado en un cuarto donde la alimentación es de tipo monofásico. El conductor de color negro es el Neutro, el conductor de color rojo indica la fase, el azul es el cable de regreso o retorno con el que se alimenta el foco mediante el interruptor, como mecanismo de control. El cable de color verde es de puesta a tierra y normalmente sirve como medida de seguridad al cumplir con dos funciones: la primera es tener conexiones equipotenciales en las estructuras metálicas conductivas expuestas que puedan ser tocadas por alguna persona y la segunda es que ante corrientes de fallas generadas por algún evento la corriente pueda retornar a la fuente de una manera controlada. 24

25 Figura 1.5. Diagrama esquemático de conexión básica de un circuito, lámpara incandescente de techo con su interruptor Mientras que en la figura 1.6 se observa el diagrama eléctrico de un circuito con una lámpara, hay que notar que en el diagrama eléctrico se interrumpe la fase y no el neutro, como medida de seguridad para el usuario y el equipo, y además cuenta con su puesta a tierra (de acuerdo con el artículo 210-5b de la NOM-001-SEDE-2005). Figura 1.6. Diagrama eléctrico de una lámpara incandescente controlada con un interruptor sencillo. 25

26 En la figura 1.7 se muestra otro diagrama eléctrico muy usado en las instalaciones eléctricas residenciales, éste tiene la característica de controlar el encendido y apagado de dos lámparas mediante la conexión tipo puente; y además, cuenta con un contacto. Chalupas en losa Lámparas Extremo 1 Extremo 2 Regreso Contacto Chalupas de pared Neutro Fase Puesta a tierra Figura 1.7. Diagrama eléctrico de dos lámparas y un contacto Cálculo y selección de conductores. El método de cálculo empleado para la selección de conductores adecuados debe realizarse por una persona calificada, para resguardar la seguridad de las instalaciones y con ello a las personas, por lo tanto, idealmente se deben considerar los siguientes factores: a) La capacidad de la carga en valores de W, VA o HP. b) El factor de potencia con que opera la carga. c) En el caso de motores, conocer su eficiencia. d) El tipo de canalización que resguardará a los conductores. e) La temperatura ambiente. f) El máximo número de conductores en las canalizaciones. g) El tipo de conductor por utilizar, tipo de aislamiento y temperatura de operación (véase la tabla 1.A de conductores, del apéndice A, para las distintas ampacidades). 26

27 h) La longitud del circuito de los conductores. Pero en términos prácticos, dentro de las instalaciones eléctricas residenciales existen características generales, por lo que en el ejercicio habitualmente se consideran para el diseño: a) Factor de potencia no menor de 0.85 (-), es decir, predominantemente inductivo. b) Canalización de tubo de PVC, conduit de ½ (la NOM 001 SEDE 2005 considera la tubería de ½ pulgada como tubería de 16 mm de diámetro). c) Temperatura ambiente no mayor de 40 C. d) Uso de los conductores más comerciales, por su tipo de aislamiento y temperatura de operación, que son: TW para 60 C, THW, THW-LS, THHW para 75 C y THHW-LS para 90 C (para más información sobre los tipos de aislamientos observe tabla 2.A del apéndice A). e) Dentro de un tubo conduit de 16 mm (1/2 ) de diámetro: máximo cinco conductores del calibre 12 AWG Cálculo y selección de protecciones. Retomando a Rodríguez y Aguirre (2011) una instalación eléctrica debe tener dos protecciones: a) Un interruptor de seguridad con fusibles como protección principal, próximo a la acometida y al equipo de medición tal como se muestra en la fig. 1.8 a). b) Un centro de carga 1.8 b) con interruptores termomagnéticos como protección a los circuitos derivados, que puede estar próximo al interruptor de seguridad o dentro de la casa-habitación. 27

28 Figura 1.8. a) Interruptor de seguridad, b) Centro de carga Los fusibles que se insertan en el interruptor de seguridad mostrado en la figura 1.8 a) deben preservar al circuito alimentador contra cortocircuitos, mientras que los interruptores termomagnéticos dentro del centro de carga de la figura 1.8 b) protegen los circuitos derivados contra sobrecorrientes y cortocircuitos. La coordinación de protecciones de sobrecorriente consiste en un estudio organizado tiempo corriente de todos los dispositivos en serie desde la carga hasta la fuente. Además de una adecuada coordinación de protecciones es menester que los circuitos instalados consten de una conexión puesto a tierra eficazmente con el objeto de prevenir tensiones eléctricas peligrosas que puedan dañar a las personas o equipos. Otra cuestión importante cuando ya se ha calculado el calibre del conductor y se está seleccionando la protección, fusible o interruptor termomagnético, la corriente de interrupción por falla debe ser menor a la ampacidad del conductor. 28

29 2. Software LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench mejor conocido sólo por sus siglas en inglés LabVIEW, es un programa de desarrollo de aplicaciones (creado por la empresa National Instruments), al igual que diversos programas como C, C++, Pascal, Fortran, Visual Basic y otros. La importante diferencia entre los programas mencionados y LabVIEW es que este último usa un lenguaje de programación gráfica, G, en cambio las otras aplicaciones usan un lenguaje basado en instrucciones de texto. Por lo tanto, esta diferencia hace que LabVIEW sea fácil de programar, incluso para personas con poca experiencia. La terminología usada por LabVIEW son iconos agrupados en paletas, de tal manera que estos iconos sean tan familiares a los utilizados en ingeniería, como interruptores, perillas, indicadores, gráficas, etc Generalidades de la programación gráfica En sistemas operativos de Windows, Macintosh y Unix están presentes las bibliotecas de funciones y herramientas de desarrollo para la adquisición de datos. Se llaman Instrumentos Virtuales (VI s) a los programas creados bajo el entorno gráfico en LabVIEW. Los Instrumentos Virtuales constan de tres formas básicas: Panel Frontal, diagrama de bloques e icono/conector. En la figura 2.1 de lado izquierdo se muestra a modo de ejemplo una perilla y un tanque en el panel frontal y en el lado izquierdo, diagrama de bloques, los iconos de la perilla y del tanque unidos entre sí por un conector. Figura 2.1. Elementos de un Instrumento Virtual: panel frontal, a la izquierda; diagrama de bloques y el icono/conector, a la derecha. 29

30 El Panel frontal es la interfaz del usuario, a través de él se introducen valores de entrada y se logran monitorear las variables del sistema instrumentado. Debido a que en el panel frontal de un VI es análogo al panel frontal de instrumento real, las entradas de datos son llamadas controles y las salidas de datos indicadores. Por cada panel frontal de un programa de LabVIEW existe un diagrama a bloques, el cuál es el programa del instrumento virtual. El diagrama a bloques se podría pensar como el código fuente. El diagrama a bloques se construye por medio de un lenguaje G. Los elementos del diagrama a bloques representan nodos del programa; por ejemplo, el ciclo For, estructuras del tipo Case y funciones aritméticas. Los componentes están cableados para definir el flujo de datos dentro del diagrama a bloques. El icono/conector se usa para convertir un Instrumento Virtual a un objeto que pueda ser utilizado como una subrutina (subvi) en el diagrama a bloques de otro VI. El icono representa gráficamente el instrumento virtual en el diagrama a bloques de otro VI Ambiente de trabajo de LabVIEW. En el ambiente de Windows, el grupo de programas de LabVIEW contiene varios iconos. Al ejecutarse el icono del programa LabVIEW se inicia sesión como se muestra en la figura 2.2, de lado izquierdo, la pantalla de arranque de inicio; de lado derecho, después de unos segundos la sesión está lista para ejecutar un VI. Figura 2.2. Pantallas al ejecutar el icono de LabVIEW 30

31 Las opciones que nos ofrece la segunda ventana de inicio en LabVIEW son: New para crear un nuevo Instrumento Virtual. Open para abrir un Instrumento Virtual (VI) ya existente. Online support sirve para brindar soporte técnico al usuario. Help Abre la ayuda de LabVIEW. 2.3 Interfaz de la instrumentación virtual La interfaz de la instrumentación virtual es básicamente el panel de control donde están ubicados los controles e indicadores para que las señales del sistema sean manipuladas y observadas por el usuario. Por eso se hace hincapié en el panel frontal y se describen sus propiedades. Figura 2.3. Barra de herramientas del panel de control Figura 2.4. Barra de herramientas del diagrama de bloques De la figura 2.3 se puede notar que los elementos (run, run continuously, abort execution y pause) de la barra de herramienta del panel de control son comunes a los de la barra de herramientas del diagrama de bloques de la figura 2.4, esto significa que el programa se puede ejecutar desde ambos. Los elementos de programación de LabVIEW se encuentran ubicados dentro de paletas: en el panel frontal, paleta de controles; y para el diagrama de bloques, paleta de funciones. 31

32 Figura 2.5. a) Paleta de controles del panel de control y b) paleta de funciones del diagrama de bloques En el inciso a) de la figura 2.5 se muestran los iconos de los controles: de botones, perillas, LEDs, indicadores, gráficas, arreglos y demás elementos, algunos similares que puede ver y operar el usuario como si fueran elementos físicos. Mientras que en el diagrama de bloques se realizan las conexiones (para el flujo de datos) de los iconos presentados en el panel frontal. Los elementos de ambas paletas están clasificados por su estilo en submenús, y éstos a su vez organizados por el tipo que operen. Tabla 2.1 Tipos de datos representados en el panel frontal y en el diagrama de bloques. Conexiones en el diagrama de Iconos del panel frontal Tipo de datos bloques Booleanos Numéricos Cadena de caracteres Ruta de directorio de datos 32

33 Arreglo de datos booleanos. En la Tabla 2.1 se muestran sólo algunos tipos de datos correspondientes a cada icono del panel frontal y del diagrama de bloque. Hay que observar que los iconos del diagrama de bloques tienen diferente color y espesor de línea en las conexiones indicando así el tipo de datos que se está manejando. Por ejemplo, en la segunda columna, los iconos de la primera y última fila son funciones de tipo booleano pero la diferencia entre ellas es que la última es un arreglo de datos. La Waveform Graph y la Waveform Chart son otros tipos de controles indicadores de gran utilidad para poder desplegar datos de manera gráfica, la diferencia entre estas gráficas es que la primera memoriza (almacena) en el display los datos, mientras que la segunda no. Para poder desplegar datos sobre el display de estos indicadores de manera continua y en tiempo real es necesario colocar sus iconos dentro de estructuras while o for en el diagrama de bloques. En la figura 2.6 se ilustran los indicadores gráficos, la waveformgraph representa tres periodos una señal cuadrada y la waveform chart representa seis periodos de la misma señal, pos su característica acumulativa de datos. Figura 2.6. Indicador gráfico tipo Graph (izquierda) y tipo Chart (derecha) 33

34 Estructuras. Las estructuras permiten controlar el flujo de datos dentro del programa (VI). Las básicas son: While Loop, For Loop, Case y Flat Secuence. En LabVIEW las estructuras encierran los comandos gráficos que se quieren ejecutar. Se describirán las estructuras mencionadas de acuerdo con Lajara y Peligrí (2007): El bucle while (mientras) ejecutará el código dentro de él hasta que se cumpla una condición, la cual se evalúa en cada iteración. En la figura 2.7 se observa la estructura while, dentro de este bucle en la parte inferior derecha está la condición stop para detener el programa; así como el índice, i, para indicar el número de iteraciones que se realizan. Figura 2.7. Estructura While El bucle for, similar al while, ejecuta el código dentro de él. La diferencia entre ambos es que el ciclo for necesita que se le indique el número de veces que se repetirá, el número se fija previamente y sin poder cambiarse en la ejecución. En la figura 2.8 se muestra la estructura for (como un libro mostrando sus páginas). En la parte superior izquierda, N, es donde se asigna el número de veces que se ejecuta el código dentro de él y el índice, i, indica el número de veces que se ha ejecutado el código. 34

35 Figura 2.8. Estructura for La estructura case es igual a las instrucciones de texto if, switch y try. Se aplica para ejecutar un código u otro al cumplirse alguna condición predeterminada para cada caso. En la parte superior de la figura 2.9 se tiene un menú para identificar el código de cada caso, la terminal? en el lado izquierdo es el selector, cada valor que llega a esta terminal es la condición que se evalúa para elegir el subdiagrama a ejecutar. De acuerdo con el tipo de datos que sean conectados a la terminal, el modo de ejecutarse la estructura case será como If then else (datos booleanos, verdadero o falso) o switch case (para otros tipos de datos). Figura 2.9. Estructura case La estructura sequence (secuencia) tiene la característica de ejecutar de manera ordenada el código que esté dentro de cada subdiagrama, su equivalente son las instrucciones de texto escritas de forma ordenada. En la figura 2.10 se muestran dos tipos de estructuras de secuencia que funciona igual, el stacked sequenced (a la izquierda) que tiene un menú para indicar el subdiagrama de trabajo y el flat sequence(a la derecha) con todos los subdiagramas visibles. 35

36 Figura Estructura stacked sequenced y flat sequence Vision and motion, Measurement I/O y Signal processing. Existen otras funciones y controles disponibles en LabVIEW, como las funciones vision and motion, measurement I/O y signal processing, dependiendo de la versión que se esté utilizando y de los drivers instalados, los recursos de este software se encuentran disponibles para cada la aplicación que se quiera desarrollar. En el menú vision and motion e puede encontrar el comando visión acquisition, un comando de gran utilidad para realizar la monitorización visual de alguna aplicación mediante la adquisición de fotogramas desde una webcam. En la figura 2.11 se muestra el comando para adquirir y visualizar imágenes, se puede encontrar en la paleta de funciones>vision express>vision adquisition. Figura Código para la adquisición de imágenes Del menú measurement I/O se puede encontrar el comando DAQ-assistant(tarjeta de adquisición de datos, una de las formas de adquirir datos) en NI-DAQmx, comando útil para enlazar la aplicación física que se desea controlar a través del instrumento virtual 36

37 desarrollado en LabVIEW. La DAQ cuenta con la opción de ejecutarse de manera virtual para fines de simulación. En la figura 2.12 se puede apreciar el icono de la DAQ-assistant, al ejecutar este comando se tiene que realizar la configuración del mismo. Las capacidades comunes de la DAQ son: Adquisición de señales analógicas. Generación de señales analógicas. Adquisición y generación de señales digitales. Contadores y temporizadores, etcétera. Figura Código de DAQ-assistant Del menú signal processing se puede encontrar una importante herramienta de simulación de señal alterna o discreta, simulate signal. Presenta la ventaja de ejecutar el programa y observar el posible comportamiento del sistema mediante el VI. En la figura 2.13 se muestra el comando con su indicador gráfico (graph) para simular señales: sinusoidal, dientes de sierra, cuadrada, triangular y de corriente directa. Figura Código simulate signal Estas funciones junto con el VI server y comunicaciones avanzadas (para el acceso remoto del instrumento virtual) serán descritas con mayor detalle y de manera aplicada en los apartados del capítulo 3. 37

38 Aplicaciones. Con los instrumentos virtuales de LabVIEW se han desarrollado aplicaciones médicas, aplicaciones básicas para la industria (control de motores), análisis de armónicos en sistemas eléctricos (Meléndez, Washington & Cevallos, s.f). Previamente a estas aplicaciones se tuvo que desarrollar el VI, por tal razón se muestran algunos ejemplos básicos de instrumentos virtuales. Como primer ejemplo en la figura 2.14 se representa el código en el diagrama de bloques, elaborado por un bucle for. En éste están los operadores matemáticos y el número del cual se desea obtener la suma de sus antecesores ( ). Los controles del panel frontal se ilustran en la parte superior derecha, para N=10. Figura Programa para la suma de números consecutivos Como segundo ejemplo se ilustra en la figura 2.15 un VI para generar salidas de audio con formato.wav, de manera secuencial con la estructura Flat sequence. El comando sound file readsimple.vi lee un archivo desde path y lo reproduce a través de un comando play waveform. Se ejecuta primero un subdiagrama y después el otro, no simultáneamente. Se puede utilizar para emitir mensajes sonoros de algún proceso. 38

39 Figura Programa para reproducir archivos de audio 3. Desarrollo de la investigación El proyecto ha sido desarrollado en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas en el Centro de Estudio y Monitoreo de la Calidad de la Energía Eléctrica (CEMCEE). Se utilizaron materiales, equipo de cómputo y herramientas disponibles dentro de él para poder llevar a cabo el control automático y monitoreo remoto de las instalaciones eléctricas residenciales. 39

40 En la figura 3.1 se ilustra la estructura del sistema a controlar, básicamente consta de siete partes: variables del sistema por medir y manipular, corriente, voltaje y potencia; acondicionamiento de las señales, circuitos electrónicos; cámara web, para la adquisición de imágenes; control de encendido y apagado, operación del usuario; panel frontal, para visualizar los instrumentos virtuales en la pantalla del ordenador; tarjeta de adquisición de datos y el software LabVIEW instalado en el ordenador, donde se lleva a cabo el procesamiento. Figura 3.1. Estructura del sistema a controlar 3.1. Elaboración de la instalación eléctrica residencial Como modelo se elaboró una instalación eléctrica residencial sobre un tablero de prácticas (figura 3.2), representando los circuitos derivados de la vivienda (sala, cocina, comedor, baño, etc.). Los materiales usados fueron: cable, portalámparas, tubo conduit, lámparas incandescentes y fluorescentes compactas, interruptores y contactos. 40

41 Figura 3.2. Tablero para prácticas de instalaciones eléctricas residenciales En el tablero se ilustran las canalizaciones con tubo conduit que se deben realizar para una instalación oculta (conductores dentro de muros, techos, etc.), las conexiones de interruptores y contactos en su respectiva chalupa. El circuito de alimentación suministra a los circuitos derivados un voltaje de 127 V, por ser monofásico. Al tablero se conectan cargas que normalmente están en las viviendas, con un consumo de energía de 1.5 kw-hr aproximadamente. Los parámetros de potencia, corriente y voltaje de las cargas que se conectaron a la instalación, fueron previamente medidos. Véase la Tabla 3.1. Tabla 3.1 Valores de los parámetros eléctricos de cargas residenciales Valores RMS Potencia Voltaje Corriente Nombre aparente (V) (A) Carga (VA) 41

42 Ventilador industrial Ventilador doméstico Laptop (conectada al cargador) Computadora de escritorio Foco incandescente de 60 W Lámpara fluorescente Motor de inducción (bomba centrífuga)

43 3.2. Adquisición de datos e instrumentos de control Para esta etapa se ha usado la tarjeta de adquisición de datos NI-USB 6211 de 16 bits (tecnología de la empresa National Instruments), esta es un dispositivo que se puede conectar al ordenador a través del puerto USB, de esta forma se logra interactuar con el sistema (con señales acondicionadas previamente) mediante el instrumento virtual programado en el software LabVIEW. Es necesario hacer mención de los requerimientos y compatibilidad del dispositivo: Windows 2000/XP, Windows Vista x64/x86, Linux, Mac OS X o Windows 7, sistema operativo del ordenador; debe estar instalado el driver NI-DAQmx o NI-DAQmx Base, disponible en la paleta de funciones en el menú measurement I/O; debe contar con el software LabVIEW, ANSI C/C++, LabVIEW Signal Express, LabWindows/CVI o Measurement Studio para que exista compatibilidad. Las rasgos principales del dispositivo NI-USB 6211(figura 3.3) en comparación con otras tarjetas son: 8 entradas diferenciales o 16 entradas analógicas con referencia común (con rangos de voltaje de ±10 V, ±5 V, ±1 V y ±0.2 V), velocidad de 250 ks/s por canal, 2 entradas para contadores, 2 salidas para contadores, 4 canales de salida digital y 4 canales de entrada digital. Para mayor información del dispositivo en el apéndice B se pueden ver algunas propiedades de su hoja característica. Figura 3.3. Tarjeta de adquisición de datos NI-USB

44 Para el encendido y apagado de los dos circuitos derivados se elaboraron dos circuitos electrónicos de control (uno por cada circuito derivado) que reciben las señales digitales (5 V c/u) de la tarjeta. Cada circuito control consta de 4 elementos básicos: resistencia de 330 Ω, un opto-aislador 4N26, transistor TIP 31C y un relevador RAS En la figura 3.4 se muestra el esquema eléctrico del circuito de control: la resistencia de 330 Ω crea una caída de tensión para que haya un voltaje menor a 1.5 V (ver tabla 1.C del apéndice C) en las terminales del emisor del optoaislador, el detector capta la luz del emisor y hace que el transistor conmute para energizar (con una fuente de voltaje independiente) la bobina del relevador con 12 V y finalmente conmutar los contactos del circuito derivado, para el encendido. Figura 3.4. Esquema eléctrico del circuito de control para el encendido/apagado Medición de corriente. Para poder ser medida y controlada la corriente eléctrica en cada uno de los circuitos derivados de la vivienda, fue necesario que las señales se atenuaran, esto es, acondicionarlas. Esta parte fue necesaria efectuarla debido a que los valores de corriente que consumen los aparatos eléctricos instalados en la vivienda no están dentro del rango permitido por la tarjeta NI-USB 6211, usada en este proyecto. La atenuación se realizó 44

45 con dos transformadores de corriente (TC s) tipo dona, uno para cada circuito. Se aprovechó el campo magnético variable producido por la corriente que circula en los conductores, es decir, el voltaje inducido en las terminales secundarias de los TC s. Figura 3.5. Esquema eléctrico del circuito eléctrico residencial y circuito electrónico para medir el consumo de corriente de las cargas En la figura 3.5 se observa el diagrama eléctrico de un circuito derivado, para obtener un reflejo del consumo de corriente de las cargas, las terminales del TC (bobina secundaria) se conectan a un grupo de resistencias en paralelo. Las resistencias utilizadas son de 10 Ω, cada una, de película metalizada (por sus características de ruido y estabilidad, al 1 %), a fin de obtener una medición más exacta. El voltaje generado en mv se introducirá en la NI-USB 6211 y en la programación se incluirá el factor proporcional (relación de transformación). Los TC s fueron previamente probados con la intención de obtener su relación de transformación y experimentalmente se tuvo un factor lineal (proporcional), dentro de cierto rango de corriente (por la saturación del núcleo), aproximadamente. En la figura 3.6 se muestran dos transformadores corriente, censando la corriente eléctrica del conductor que pasa en su interior. 45

46 Figura 3.6. Transformadores de corriente Medición de voltaje. Otro parámetro eléctrico medido es el voltaje presente en los circuitos derivados, de manera similar a la adquisición de corriente, se han usado transformadores de potencial (TP s), sus funciones son: generar una señal analógica, de valores permisibles para la NI- USB 6211; aislar los circuitos de fuerza con los de la tarjeta. En la figura 3.7 se pueden ver los TP s utilizados, tienen una relación de transformación de 127/9 V con derivación central, se usó el tap central, a=28.22 (aproximadamente), también se realizaron pruebas para asegurar que se mantuviera constante la relación bajo ciertos límites de voltaje y así la tensión obtenida resultara lo más exacto posible a la medida (con voltímetro convencional) en el circuito derivado. Figura 3.7. Transformadores de potencial En la figura 3.8 se ilustra el arreglo de un TP y cinco de resistencias (10 kω c/u) conectadas en serie ( ). Del grupo de resistencias se tomó sólo la caída de voltaje de una resistencia, de esta forma se obtiene 0.9 V, valor apropiado para la DAQ. 46

47 Figura 3.8. Circuito para atenuar la señal de voltaje Hasta este momento se ha logrado elaborar los circuitos electrónicos: de encendido/apagado, al generar una señal digital procedente de la tarjeta; sensores de voltaje y corriente, señales analógicas que deben ser adquiridas por la NI-USB Al manejar señales analógicas es menester explicar los tipos de conexiones disponibles que se pueden realizar en la tarjeta, a continuación Configuración de terminales. Lajara & Peligrí (2007) explican que la adquisición de la señal puede ser diferencial, referenciada a un punto o no referenciada. En la medida diferencial (DIFF) se toma en cuenta la diferencia de tensión entre una línea y otra. En este caso el circuito externo y la tarjeta no tienen una referencia común. En la figura 3.9 se muestra una señal analógica de tipo diferencial, diferencia de voltaje entre el canal 0+ y el canal 0-. Para evitar ruido es recomendable usar la configuración tipo diferencial. En la figura 3.10 se observa el esquema eléctrico para mediciones con referencia común (RSE, referenced single-ended), en ésta sí existe un punto común entre la señal exterior y 47

48 la NI-PGIA, donde se comparte la misma referencia (tierra analógica). Esta conexión permite un mayor número de canales en la DAQ, todas las entradas deben tener la misma referencia. No es preferible usar esta configuración cuando: Las señales sean demasiado pequeñas La distancia entre la fuente de la señal y la tarjeta sea grande El ambiente es ruidoso y si los conductores no están apantallados MULTIPLEXOR CANAL 0+ CANAL 1+ CANAL 2+ INSTRUMENTO AMPLIFICADOR CANAL 3+ CANAL 4+ CANAL 5+ CANAL 6+ CANAL 7+ SEÑAL ANALÓGICA MULTIPLEXOR CANAL 0- VOLTAJE DE SALIDA CANAL 1- CANAL 2- CANAL 3- CANAL 4- CANAL 5- CANAL 6- CANAL 7- TIERRA ANALÓGICA - Figura 3.9. Configuración de entrada analógica diferencial MULTIPLEXOR CANAL 0+ CANAL 1+ CANAL 2+ INSTRUMENTO AMPLIFICADOR CANAL 3+ CANAL 4+ CANAL 5+ CANAL 6+ CANAL 7+ SEÑAL ANALÓGICA VOLTAJE DE SALIDA TIERRA ANALÓGICA - Figura Configuración de entrada analógica con referencia común 48

49 La ventaja de esta configuración respecto a la mostrada en la figura 3.9 es que habrá más canales disponibles, pero todas esas entradas deben tener la misma referencia. No se recomienda si las tensiones son pequeñas, si hay una gran distancia entre el acondicionador y la tarjeta, los cables no están apantallados o se está en un ambiente ruidoso. En la tercera conexión, entre la señal de entrada analógica y la PGIA no existe referencia común, sin referencia (NRSE, non referenced single-ended), véase la figura MULTIPLEXOR CANAL 0+ CANAL 1+ CANAL 2+ CANAL 3+ INSTRUMENTO AMPLIFICADOR CANAL 4+ CANAL 5+ CANAL 6+ CANAL 7+ SEÑAL ANALÓGICA VOLTAJE DE SALIDA AISENSE TIERRA ANALÓGICA Figura Configuración de entrada analógica sin referencia común Aclarado esto es resulta conveniente hacer la configuración diferencial en el diagrama a bloques. Sin embargo, las señales utilizadas son de tipo alterna y por disponer de más canales, se aplicó la configuración RSE Instrumento virtual para el control automático y monitoreo remoto de la instalación eléctrica En este apartado se detalla la interfaz del usuario, es decir, los instrumentos de control y de monitoreo que están disponibles para el encendido y apagado de los circuitos eléctricos. También se explicará la programación gráfica que se codificó para hacer posible: la adquisición y generación de datos, disponibles y controlados desde la interfaz del usuario, pantalla del monitor. En la figura 3.12 se muestran el panel de control y el diagrama de bloques del sistema. 49

50 Figura Panel de control y programación virtual del sistema Programación en el diagrama de bloques. La programación consta de cinco bucles while (mientras) principales: dos bucles, diseñados para el encendido y apagado manual o automático; un ciclo para monitorear la operación de los circuitos, a través de una cámara web; otro ciclo para la adquisición de datos, señales eléctricas analógicas; uno más para modificar la apariencia del panel frontal, color de fondo. El código dentro de la estructura while tiene la función de generar una señal digital para energizar el circuito de control de la figura 3.4 (que inmediatamente activa el circuito derivado uno). Como en la programación con instrucciones de textos, cada elemento de la sintaxis es importante, sin embargo, los elementos que destacan de la figura 3.13 son: una estructura case, para elegir el tipo de encendido/apagado de forma manual o automática; el arreglo de los comandos time stamp, para la operación de forma automática en hora y fecha; el DAQ assistant con la configuración de los canales 8 y 11 (línea 3 del puerto 1 y tierra digital, respectivamente) de la tarjeta, opera con el valor falso o verdadero (señal procedente de la segunda estructura case. Y finalmente el ciclo mientras ejecuta los 50

51 comandos dentro de él de manera continua (según el usuario). Para el control del circuito derivado dos la programación es la misma, tan sólo se configura un canal diferente al anterior usado. Figura Elemento del VI para encender y apagar el circuito derivado Para vigilar de forma visual (y en tiempo real) la operación del sistema se cuenta con el comando de vision and motion, la adquisición de las imágenes se realiza de modo continuo, con la estructura while, éste se configura para una resolución de 640x480, 32- bits, RGB y velocidad de 24 fps (fotogramas por segundo), véase la figura Figura Código para para la adquisición de imágenes 51

52 Para la adquisición de datos se utiliza nuevamente un ciclo while, para poder adquirir las señales analógicas de voltaje y corriente de manera continua, en la figura 3.15 se muestra la primera parte del ciclo con los siguientes elementos: DAQ assistant, operadores matemáticos, indicadores Waveform Graph y numéricos, procesador de señal, (Tone measurements) y un comando Elapsed time para medir en minutos el tiempo de ejecución del VI. 52

53 Figura Primera parte del código para adquirir las señales analógicas de voltaje y corriente La DAQ assistant es importante jerárquicamente porque en ella se configuran los canales para adquirir las cuatro señales analógicas (dos de corriente y dos de voltaje), véase la figura Las señales se muestran de manera gráfica en una ejecución de prueba, los 4 canales (ai14, ai5, ai7 y ai6) utilizados son: de tipo RSE, configuración con referencia común (punto 28). Para más detalle sobre los canales y puntos de conexión consulte la figura 1.B del apéndice B. 53

54 Figura Configuración de la DAQ assistant para adquirir señales analógicas Los operadores numéricos y factores de proporcionalidad se utilizan para adecuar los pequeños valores de las señales de entrada a valores reales (similar a los obtenidos desde un multímetro digital). El comando Tone measurements procesa la señal analógica para obtener y desplegar, en tiempo real, los valores de ángulo, amplitud y frecuencia. En la segunda parte de la estructura while, figura 3.17, se ilustran todavía más operaciones: aritméticas (suma, resta, división, multiplicación, etc.) y funciones trigonométricas (seno, coseno y tangente) desde el VI fórmula; necesarios para manipular las señales del sistema, pues se trata de un análisis eléctrico donde se manipulan ángulos de desfasamiento de cada TC, valores rms y frecuencia de la señal. También están los iconos indicadores para desplegar los resultados de todas las operaciones. 54

55 Figura 3.17.Segunda parte del código para adquirir las señales analógicas de voltaje y corriente La velocidad de ejecución de cada comando, depende la velocidad de procesador del ordenador, memoria RAM, tarjeta utilizada y la velocidad de muestreo configurada en cada VI Panel frontal. Los elementos que conforman la interfaz del usuario, es decir, los controles e indicadores previamente programados en el diagrama de bloques, se describen a continuación: En primer lugar está un selector, en él se puede elegir el encendido/apagado del circuito de modo manual o automático, figura

56 Figura Control de modo de encendido Si se selecciona el modo de encendido programado se debe configurar la fecha y hora del control time stamp para lograr el encendido automáticamente (figura 3.19), se toma la fecha y hora en tiempo real. Figura Controles de encendido y apagado automático Para el modo de encendido manual es necesaria la presencia del usuario en el ordenador para conmutar el control booleano, en la figura 3.20 se muestran el botón (a la izquierda) y el indicador (a la derecha). El control booleano se deshabilita cuando se selecciona el encendido programado, sin embargo, el indicador queda habilitado para ambos modos de encendido. Figura Control manual e indicador de ON/OFF En la figura 3.21 se muestran dos indicadores gráficos (dentro de un tab control) y cuatro numéricos (cada uno despliega los parámetros eléctricos, valores RMS de voltaje y corriente con su respectivo ángulo. Figura Indicadores gráficos y numéricos de las señales analógicas 56

57 Conocidos los parámetros eléctricos de cada circuito, frecuencia, voltaje y corriente (con sus respectivos ángulos), se puede obtener la potencia instantánea (potencia activa y reactiva), estas mediciones se pueden desplegar en indicadores analógicos, similares a los vatímetros de aguja utilizados en los laboratorios, véase la figura Y una vez obtenida la potencia activa y reactiva de cada circuito derivado se puede desplegar la potencia total y el factor de potencia (FP) de la instalación residencial. Figura Indicadores analógicos de potencia activa y reactiva Para cada circuito, los controles e indicadores anteriormente mencionados, y algunos no descritos, se ilustran en la figura 3.23 disponibles para ser operado por el usuario. Figura Interfaz de la instrumentación virtual de la instalación eléctrica residencial 57

58 3.4. Control remoto del instrumento virtual Con la programación realizada en el ordenador, diagrama de bloques y panel frontal ya se puede ejecutar el VI para controlar y monitorizar desde una sola estación la instalación eléctrica. Sin embargo, si se requiere acceder al instrumento virtual desde otra estación, acceso remoto (ordenador ubicado en otro lugar, distante del sistema) es necesario usar paneles remotos y una publicación web. Afortunadamente LabVIEW cuenta con su propio servidor web para publicar los instrumentos virtuales y paneles de control remoto, y así establecer conexión clientes-servidor, sin la necesidad de que el cliente tenga instalado el software LabVIEW para ejecutar el VI Configuración del Web Server. Forma parte de la configuración del acceso remoto, del menú tools se selecciona options e inmediatamente aparece la ventana de la figura 3.24 donde se elige la herramienta Web Server: se habilita Enable Remote Panel Server, el puerto HTTP utilizado es el 8000 (depende del sistema operativo). 58

59 Figura Configuración del Web Server En el campo Visible VIs se agrega el nombre del VI que se desea publicar (el asterisco indica que se pueden ver todos los instrumentos virtuales guardados), el nombre del instrumento virtual de esta aplicación es control de instalaciones eléctricas.vi y se permitirá el acceso por cinco minutos, opción por default. En el segundo campo, Browser Access, se elige Allow viewing and controlling, aquí se agregan las direcciones IP de los clientes que tendrán acceso para visualizar y controlar el VI, el asterisco indica el acceso a todas las direcciones IP de los clientes que requieran el instrumento virtual y las dos palomitas verdes el permiso para ver y controlar el VI. Véase figura

60 Figura Configuración de Visible Vis y Browser Access del Web Server Configuración del Web Publishing Tools. Lajara & Peligrí (2007) indican que inicialmente se debe acceder al menú tools desde el VI que se desea publicar y seleccionar la herramienta Web Publishing tools. En la figura 3.26 se muestra el primer paso para configurar el asistente y crear la página web: en la ventana se selecciona el VI (control de instalaciones eléctricas), se elige el modo Embedded y se habilitan las opciones Request control when connection is established (para que el usuario pueda ver y operar el VI) y Enable IMAQ support (para que el usuario pueda ver las imágenes adquiridas por la webcam). 60

61 Figura Configuración para la publicación web del instrumento virtual El segundo paso es colocar (si se desea), un título, un encabezado y un pie de página en el panel de control por publicar, existe una vista previa, de la página mostrada en la figura Figura Personalización del panel de control remoto En la figura 3.28 se realiza el paso tres que consiste en guardar el fichero, asignar un nombre al archivo (control de instalaciones eléctricas con extensión html) y obtener el URL. Es cierto que no es necesario tener instalado el software LabVIEW en el equipo 61

62 cliente pero sí se requiere un plug-in que debe estar instalado en el navegador, el plug-in utilizará las funciones de LabVIEW Run-Time Engine y así al ejecutarse el URL el navegador pedirá al servidor web la página en que se publica el instrumento virtual, el servidor enviará la página al navegador y la página web será desplegada finalmente en el monitor del cliente (Lajara y Peligrí, 2007). Figura 3.28.Obtención del URL y guardado del fichero Las pruebas se realizaron desde una LAN ubicada en el laboratorio CEMCEE donde la máquina servidor tiene una dirección IP fija. Para poder acceder al servidor a través de la Red Informática de la Universidad Veracruzana (RIUV) desde un cliente, una laptop con conexión inalámbrica, fue necesario agregar la IP dinámica del equipo cliente al Web Server, hecho esto, se ejecuta el URL asignado por el Web Publishing tools, también se tuvo que cambiar el nombre del servidor por la dirección IP del servidor en el URL. Figura Circuitos derivados apagados 62

63 En la figura 3.29 se muestra la ejecución del VI desde el equipo servidor, los indicadores de voltaje, corriente y potencia marcan valores de cero debido a que los circuitos están apagados mientras que en la figura 3.30 se (circuitos encendidos) los indicadores despliegan las mediciones de los parámetros eléctricos y se puede ver la operación del sistema en tiempo real. Figura Circuitos derivados encendidos En la figura 3.31 se ilustra el panel de control remoto del VI, control de instalaciones eléctricas publicado en una página web, los valores han sido restablecidos por lo tanto no se despliega ninguna medición, sin embrago, el VI está listo para ser ejecutado porque el servidor le ha cedido el control, al dar click derecho sobre el panel de control se muestran más opciones de control. 63

64 Figura Panel de control remoto desde un sitio web 3.5. Análisis de resultados Al operar los elementos del sistema en forma individual: los circuitos electrónicos de control para energizar los circuitos derivados, funciona de manera estable en un tiempo prolongado; los atenuadores de señales analógicas presentan errores despreciables (muy pequeños) por el flujo remanente de los TC s y TP s, los factores de proporcionalidad se conservan, por lo tanto las mediciones virtuales son aceptables. La operación de los elementos en conjunto: interfaz remota, tarjeta de adquisición de datos y sistema eléctrico (figura 3.32) logran que las mediciones sean confiables por ser idénticas a las medidas con instrumentos reales convencionales. Es importante considerar que la velocidad de la ejecución del VI vía remota depende directamente de la velocidad de subida y bajada de datos a la red, así como de las características del equipo cliente-servidor (memoria RAM, procesador, internet y resolución de la webcam). También se destacan los resultados gráficos de las señales de voltaje y corriente, se pueden notar las afectaciones que provocan las cargas pasivas (equipos construidos de resistencias, 64

65 inductancias y capacitores) y cargas activas (equipos electrónicos) en los parámetros eléctricos. En la parte inferior izquierda de la figura 3.30 se muestra el indicador gráfico de la señal de corriente distorsionada, debido a dos lámparas LFC conectadas en el circuito derivado 1, mientras que en el lado derecho se muestra el indicador gráfico generando una señal puramente sinusoidal, cargas pasivas conectadas al circuito derivado 2. Por lo tanto, se pueden dar por cumplidos los objetivos generales: Controlar automáticamente y monitorear de manera remota las instalaciones eléctricas residenciales mediante instrumentación virtual. Figura Elementos del sistema en operación Conclusiones La implementación de este proyecto tiene trascendencia en áreas educativas, pues se pueden desarrollar prácticas de laboratorios en apoyo a la formación académica de los alumnos de la FIME. Como se mencionó en un principio: en todo proceso técnico es imprescindible su control desde el inicio hasta su fin. Con este proyecto se puede empezar a supervisar la calidad de la energía eléctrica y su implementación dependerá de la importancia que se tenga en vigilar los valores de las variables del proceso. 65

66 La aplicación de las nuevas tecnologías y sistemas de información sí pueden mejorar la calidad de vida de las personas. En las instalaciones eléctricas residenciales se cuida el consumo de energía eléctrica (sin desperdicios) al utilizar los equipos eléctricos de manera automática protegiendo el medio ambiente. Propuestas de trabajo a futuro Para dar continuidad a este proyecto realizado se invita a mejorarlo, creando en las viviendas instalaciones eléctricas controladas con instrumentación virtual, con el fin de brindar confort, seguridad, entretenimiento, ahorro energético y servicios de comunicaciones para los usuarios. De esta forma se abrirá camino al diseño de viviendas domóticas, sin necesidad de utilizar productos comerciales, mejor aún, compitiendo con ellos al elaborar los instrumentos eléctricos y electrónicos necesarios con conocimientos de ingeniería. Se sugiere utilizar el mayor número de sensores disponibles: de temperatura, de movimiento, de ruido, de luz (fotoceldas), dimmers (atenuadores de flujo luminoso), etc. para adaptarlos en cada equipo instalado en la vivienda y controlarlos individualmente. Otras aplicaciones interactivas y flexibles con fines educativos que se pueden desarrollar son: crear más prácticas de laboratorio de tipo residencial, midiendo nuevos parámetros (iluminancia), realizar cálculos para obtener los calibres adecuados de los conductores eléctricos, simular el comportamiento de las instalaciones eléctricas cuando ocurren fallas de cortocircuito. Existe una diversidad de aplicaciones que se pueden implementar, siempre útiles para facilitar el trabajo del hombre y tener una vida más cómoda, no sólo en los sistemas eléctricos, sino en todas las variables de la materia que se puedan medir. 66

67 Glosario Acometida: Conductores de acometida que conecta la red del suministrador al alambrado del inmueble a servir. Alimentador: Todos los conductores de un circuito entre el equipo de acometida o la fuente de un sistema derivado separadamente u otra fuente de alimentación y el dispositivo final de protección contra sobrecorriente del circuito derivado. Carga (eléctrica): Es la potencia instalada o demandada en un circuito eléctrico. Corriente admisible (ampacidad): Es el valor máximo de corriente que puede transportar un conductor sin que la temperatura en él, alcance un valor tal, que pueda dañar el aislamiento. Conductor de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de un sistema de alambrado al electrodo o electrodos de puesta a tierra. Circuito derivado: Conductor o conductores de un circuito desde el dispositivo final de sobrecorriente que protege a ese circuito hasta la o las salidas finales de utilización. Corriente de interrupción: Corriente eléctrica máxima a la tensión nominal que un dispositivo, es capaz de interrumpir bajo condiciones de pruebas normalizadas. Demanda contratada: Es la demanda que inicialmente fija el usuario; su valor no será menor del 60% de la carga total conectada. Optoaislador: Semiconductor emisor y receptor de luz que funciona como un interruptor y se excita mediante luz, también es llamado optoacoplador. Persona calificada: Es aquella persona física cuyos conocimientos y facultades especiales para intervenir en el proyecto, cálculo, construcción, operación o mantenimiento de una instalación eléctrica han sido comprobados en términos de la legislación vigente o por medio de un procedimiento de evaluación de la conformidad bajo la responsabilidad del usuario o propietario de las instalaciones. Puesto a tierra eficazmente: Conectado al terreno natural intencionalmente a través de una conexión o conexiones a tierra que tengan una impedancia suficientemente baja y capacidad de conducción de corriente, que prevengan la formación de tensiones eléctricas peligrosas a las personas o equipos conectados. 67

68 Receptáculo: Dispositivo de contacto eléctrico instalado en una salida para la conexión de una sola clavija. Un receptáculo sencillo es un dispositivo de contacto de un solo juego de contactos. Servidor: Equipo informático que ofrece un conjunto de operaciones y recursos compartidos a los equipos clientes remotos. Acrónimos VA RAM HTTP VI URL CA CD W VAR HTML LAN IP VPN WAN V A LFC Volt-ampere. Memoria de acceso aleatorio Protocolo de transferencia de hipertexto Instrumento virtual Localizador de recursos uniformes Corriente alterna Corriente directa Watt Volt-ampere reactivo Lenguaje de marcación de hipertexto Red de área local Protocolo de internet Red privada virtual Red de área extensa Volt Ampere Lámpara fluorescente compacta 68

69 Apéndice A Tabla 1.A Capacidad de conducción de corriente (A) permisible de conductores aislados para 0 a 2000 V nominales y 60 C a 90 C. Nomás de tres conductores portadores de corriente en una canalización o directamente enterrados, para una temperatura ambiente de 30 C. Retomada de la tabla de la NOM-001-SEDE 2005 Instalaciones eléctricas (utilización). 69

70 Tabla 2.A Conductores-Aislamientos y usos. Obtenida de la tabla de la NOM- 001-SEDE 2005 Instalaciones eléctricas (utilización). 70

71 71

72 72

73 73

74 Apéndice B Tabla 1.B Datos de operación de la hoja características de las DAQ mx serie M 74

75 75

76 76

77 77

78 Figura 1.B Canales de la tarjeta de adquisición de datos NI-USB 6211 Fuente: National Instruments (2012), de la hoja característica para DAQ mx serie M. 78

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