UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA CIRCUITOS DE CONTROL Y VIGILANCIA DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS RESIDENCIALES USANDO LABVIEW TESIS Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: ARTURO ACOSTA PATLAX DIRECTOR: DR. ALFREDO RAMÍREZ RAMÍREZ XALAPA, VER. SEPTIEMBRE

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3 AGRADECIMIENTOS A mis padres, a mi madre Valentina por ser el pilar de nuestra familia y la mujer más amable y amorosa, ya que con su amor, paciencia y dedicación ha sabido guiarme por el buen camino gracias a los valores que me ha inculcado a lo largo de mi aun corta vida, a ella que siempre ha estado presente en todos y cada uno de mis malos momentos, para apoyarme y enseñarme a nunca rendirme, y en los buenos momentos, para felicitarme y aconsejarme, a ella que ha creído y nunca ha dudado de mi, a ella la mejor mujer del mundo, mi madre. A mi padre que siempre me ha enseñado el significado de la palabra trabajo, él que me ha mostrado lo que es el trabajo duro, y que en esta vida nada es gratis, que para obtener lo que se desea es necesario esforzarse, sus consejos y enseñanzas me han ayudado a comprender que la vida es difícil, y por eso hay siempre que intentar ser mejor, superarse a uno mismo. A mis hermanos Brandon y Suemy, Brandon que no es tan solo mi hermano si no que también es mi mejor amigo y que me enorgullece que al igual que yo, el desee convertirse en un gran ingeniero, eso me motiva a ser siempre mejor para mostrarle que siempre que se da lo mejor de uno mismo se pueden alcanzar todas las metas propuestas, y Suemy, que al ser la más pequeña en nuestro hogar, ilumina nuestras vidas con su sonrisa y sus travesuras, ella que nos llena a todos de alegría. A mis familiares y amigos, que siempre creyeron en mí, que nunca dudaron de mis capacidades y me apoyaron cuando necesite alguno de ellos. A mi director de tesis, el Dr. Alfredo Ramírez Ramírez, ya que siempre me apoyo cuando necesite de su colaboración durante el desarrollo de este proyecto. Y por ultimo pero no menos importante a Dios, por darnos la fuerza a mí y a mi familia para siempre seguir adelante a pesar de las adversidades. A todos y cada uno de ellos, GRACIAS, MUCHAS GRACIAS! 3

4 Contenido Introducción... 9 JUSTIFICACIÓN Objetivo General Objetivo Específico HIPÓTESIS Capítulo 1.- Revisión bibliográfica Casas inteligentes Qué es una casa inteligente? Cómo Funcionan? Qué controlan los sistemas domóticos? Ventajas y Desventajas Sistemas SCADA (Supervisión control y adquisición de datos) Conceptos básicos Ofrecimientos de un software SCADA Principales funciones del sistema Transmisión de la Información Comunicaciones Elementos del Sistema Software SCADA LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) Conceptos Básicos Qué es el LabView? Ambiente de Desarrollo Lenguaje de Programación Cómo se trabaja con el LabVIEW? El panel frontal El Diagrama de Bloques TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (NI-USB-6211) Vista General del Sistema DAQ Hardware

5 Acondicionamiento de Señales V Energía Entrada Analógica Salida analógica Digital I/O Protección sobre Dispositivos USB-6212/6216 I / O Capítulo 2.- Instalaciones Residenciales Basadas en la Norma NOM-001-SEDE Localización de los Elementos de una Instalación Eléctrica Residencial Diagramas y Esquemas Eléctricos Elementales Cálculo y Selección de Conductores Protección Contra Sobrecorriente Puesta a Tierra Capítulo 3.- Elaboración del Prototipo La adquisición de las señales Cálculo para Adquisición de las Señales de Voltaje Cálculo para Adquisición de las Señales de Corriente Ensamble del Circuito de Adquisición Conexión a la Tarjeta de Adquisición Control ON/OFF Para Circuitos Ensamble Circuito Interacción ON/OFF Conexión a la Tarjeta de Adquisición El Sensor de Vigilancia Creación del Sensor CAPÍTULO 4.- Manipulación del Circuito Eléctrico Residencial a través de LabVIEW Interfaz de Usuario Programación Principal Lenguaje G de la Monitorización La Programación de Control Programación de protección Fusible

6 La Programación de Vigilancia El Control Remoto Configuración del Web Server Configuración del Web Publishing Tools RESULTADOS OBTENIDOS CONCLUSIONES REFERENCIAS ANEXOS APÉNDICE (A) APÉNDICE (B) APÉNDICE (C)

7 Índice de ilustraciones Ilustración 1.1. Residencia Inteligente Ilustración 2.- Estructura de un Sistema Domótico Ilustración 3.- Comunicación no Cableada Ilustración 4.- Esquema de conexión de equipos e interfaz de comunicación Ilustración 5.- Esquema de elementos de un sistema SCADA Ilustración 6.- Esquema de conexiones para el MTU y RTU Ilustración 7.- Esquema General Ilustración 8.- Esquema de programación Ilustración 9.- Control Ilustración 10.-Indicador Ilustración 11.- Variables Numéricas Ilustración 12. Variables locales Ilustración 13. Tarjeta de Adquisición de Datos (NI-USB-6211) Ilustración 14. Componentes de un sistema típico DAQ Ilustración 15. Componentes característicos común en todos los dispositivos NI-USB-621x Ilustración 16. Circuito de entradas analógicas Ilustración 17. Circuito salidas analógicas Ilustración 18. Circuito DI y DO Ilustración 19. Circuito eléctrico foco-apagador sencillo Ilustración 20. Esquema eléctrico foco-apagador Ilustración 21. Circuito eléctrico foco-apagador-contacto Ilustración 22. Esquema foco-apagador-contacto Ilustración 23. Circuito eléctrico foco-apagadores escalera Ilustración 24. Esquema foco-apagadores escalera Ilustración 25. Interruptor termomagnético Ilustración 26. Interruptor de cuchillas Ilustración 27. Relevador de Sobrecarga Ilustración 28.- Circuito de control y adquisición de señales Ilustración 29. Transformador de baja potencia Ilustración 30. Circuito eléctrico "Atenuación de la señal de voltaje" Ilustración 31. Circuito eléctrico "atenuador de las señales de corriente" Ilustración 32. Transformador de corriente tipo dona Ilustración 33. Tablillas de conexiones para prototipos Ilustración 34. Circuito real de adquisición de señales Ilustración 35. Circuito de adquisición en placa fenólica Ilustración 36. Circuito físico para la adquisición de datos Ilustración 37. Conexión a la tarjeta de adquisición Ilustración 38. Circuito de interacción ON/OFF de los circuitos Ilustración 39.-Circuito real para la interacción ON/OFF Ilustración 40. Circuito de interacción ON/OFF sobre placa fenólica Ilustración 41. Circuito físico de interacción ON/OFF

8 Ilustración 42.-Conexión a tarjeta de Adquisición de datos (DAQ-1 y DAQ-2) Ilustración 43. Circuito sensor con fotodiodo y fototransistor Ilustración 44. Fototransistor y fotodiodo Ilustración 45. Circuito sensor real Ilustración 46. Sensor de luz Infrarroja Ilustración 47. Interfaz grafico de usuario Ilustración 48. Control manual Ilustración 49. Control automático Ilustración 50. Indicadores LED Ilustración 51. Indicador visual de imágenes en tiempo real Ilustración 52. Gráficos en forma de onda Ilustración 53. Indicadores numéricos de las características eléctricas Ilustración 54. Energía y potencia eléctrica Ilustración 55.Programación principal Ilustración 56. Sub VI "Filtro" Ilustración 57. Sub VI "Características" Ilustración 58. Sub VI "Energías" Ilustración 59.- Sub VI "Control ON/OFF" Ilustración 60. SubVI "Fusible" Ilustración 61. Programación de seguridad Ilustración 62. Sub VI "Correo" Ilustración 63. Primera parte de programación "Monitoreo" Ilustración 64. Programación "Filtro" Ilustración 65. Programación "Características" Ilustración 66. Programación "Energías" Ilustración 67. Lenguaje G para el control Ilustración 68. Control ON/OFF Ilustración 69. Programación "Control Manual" Ilustración 70. Programación "Control Automático" Ilustración 71.- Programación "Fusible" Ilustración 72. Visión adquisition Ilustración 73.Programación "Vigilancia" Ilustración 74. File Dialog Ilustración 75. Programación "correo" Ilustración 76. Configuración "web server" Ilustración 77. Configuración "visible VI's" y "browser Access" del web server Ilustración 78. Configuración para la publicación web del instrumento virtual Ilustración 79. Personalización del panel para el control remoto Ilustración 80. Obtención del URL y guardado del archivo

9 Introducción La energía eléctrica es la fuerza que mueve al mundo, sin lugar a dudas es el tipo de energía que más se utiliza en la actualidad. Sin embargo, es necesario que este tipo de energía sea manejada con responsabilidad y por personas capacitadas, ya que puede llegar a ser muy peligrosa. En el mundo de las instalaciones eléctricas, las instalaciones del tipo residencial, son las más sencillas, en cuanto al equipo y materiales requeridos y a que estas trabajan dentro del rango de la BAJA TENSIÓN, esto no quiere decir que las instalaciones eléctricas de este tipo dejen de ser peligrosas. Existen en nuestro país y alrededor del mundo una gran serie de normas las que nos proporcionan la información necesaria para realizar adecuadamente una instalación eléctrica residencial, la Asociación de Normalización Y Certificacion (ANCE) se encarga de expedir las normas mexicanas y la norma que utilizamos con mayor frecuencia en México es la NOM-001-SEDE El principal objetivo de las normas de instalaciones eléctricas es resguardar la integridad física del usuario o de las personas encargadas de realizar el mantenimiento de dichas instalaciones, dejando en segundo plano evitar daños a los equipos o cargas a las cuales proporciona energía la red eléctrica. Sin lugar a dudas es importante el uso correcto de las normas de instalaciones eléctricas, sin embargo con los avances tecnológicos que se han alcanzado hoy en día, es mucho más fácil, rápido y sobre todo seguro dar mantenimiento a las instalaciones eléctricas de cualquier tipo así como monitorear el comportamiento en distintas circunstancias, gracias a los sistemas electrónicos donde se emplean avanzados lenguajes de programación en computadora, la llamada instrumentación virtual. La instrumentación virtual será una poderosa herramienta la cual permitirá realizar simulaciones de instalaciones eléctricas residenciales, para así observar el comportamiento de dicha simulación y posteriormente realizar instalaciones eléctricas residenciales de una manera segura, sin mencionar los beneficios tales como el confort y el mejor aprovechamiento de la energía eléctrica dentro de la vivienda, dando paso a una nueva era de instalaciones eléctricas residenciales, la era de las Casas Inteligentes 9

10 JUSTIFICACIÓN Ahora que la humanidad ha llegado al punto de tener una tecnología relativamente muy avanzada, es inevitable utilizar está para hacer de la vida de las personas, una vida mucho más sencilla, segura y de mayor confort. Aquel futuro con casas súper modernas que solo se veía en el cine ha llegado. Este proyecto está orientado para demostrarnos cómo es posible realizar una instalación residencial de una manera correcta, segura y moderna, utilizando la norma NOM-001-SEDE-2012, así como la tecnología con la que se cuenta en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas bajo la dirección del Cuerpo Académico de Ingeniería Eléctrica Avanzada de la Universidad Veracruzana. El software labview y la tarjeta de adquisición de datos (DAQ) de National Instrument, son las herramientas principales con las que se llevará a cabo este proyecto. Objetivo General Construir un prototipo de una instalación eléctrica residencial y un sistema de vigilancia en el laboratorio de máquinas eléctricas, en la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Universidad Veracruzana región Xalapa, mediante el uso de la instrumentación virtual, con la cual se podrá monitorear, controlar y vigilar la instalación. Objetivo Específico Debido a que el tema de instalaciones inteligentes es bastante amplio, el presente proyecto cuenta con una gran gama de aplicaciones, esto dependiendo del nivel de control que el usuario desea, el grado de inteligencia que alcanzara este proyecto será la implementación de un sistema de seguridad mediante sensores de movimiento ubicados en lugares estratégicos dentro de la instalación residencial. A continuación se presenta el listado de objetivos particulares que se trazaron para el desarrollo del proyecto. Elaborar un prototipo de instalaciones eléctricas residenciales con varios circuitos derivados. Desarrollar un entorno de programación en LabVIEW con el cual poder manipular a voluntad la instalación eléctrica, así como monitorear dicha instalación y resguardar la seguridad de los bienes dentro de la misma. Diseñar y construir los sistemas transductores, así como los distintos circuitos encargados de acondicionar las señales. 10

11 Elaboración del sensor requerido para el sistema de vigilancia e implementarlo a la programación. Monitorear las variables de voltaje y corriente del prototipo de instalación eléctrica, así como controlarlo mediante la elaboración de VI s. Vigilar la residencia y a su vez se creé un video de archivo tipo *AVI mediante una cámara USB utilizando como interruptor un sensor. Llevar la interfaz gráfica de la programación a la web para poder ejercer un control remoto sobre la instalación eléctrica residencial. HIPÓTESIS Si se integran los sistemas eléctricos y electrónicos tales como sensores de movimiento, presión, temperatura, etc. y se logran coordinar de una forma adecuada se puede crear una residencia inteligente la cual podremos monitorear y controlar vía remota. 11

12 Capítulo 1.- Revisión bibliográfica 1.1.-Casas inteligentes En muy pocos años, los sistemas domóticos se han desarrollado de una forma vertiginosa. Lo que hace poco tiempo nos parecía materia de ciencia ficción, en la actualidad es una realidad para muchas viviendas. La palabra domótica proviene del latín domus, casa, y consiste en el control centralizado y/o remoto de los dispositivos eléctricos y electrónicos de las viviendas. Un sistema domótico puede ser una sencilla alarma anti-intrusos o un simple foco de exterior que se ilumina cuando alguien se acerca; pero también puede consistir en una compleja red de automatismos y cableado mediante la cual podamos programar la climatización de los espacios, la apertura y cierre de ventanas y persianas, el despliegue de toldos y muchos otros dispositivos. [1] Ilustración 1.1. Residencia Inteligente 12

13 Qué es una casa inteligente? Es una casa que cuenta con la infraestructura necesaria y que brinda el mayor confort, servicios y seguridad al menor costo posible. Los servicios se están redefiniendo como una infraestructura básica para la casa con un solo punto de administración y distribuyéndola a todas las áreas (sala, tv, cocina, áreas comunes, recamaras, baños, etc.) Como punto básico para la automatización de una casa, es necesario que cuente con una infraestructura de cableado estructurado, para no dañar la estructura de la casa ni los detalles arquitectónicos de la misma. Es necesario que dicha casa cuente con esa infraestructura, su costo adicional es mínimo, sin embargo su beneficio es mayor. Adicionalmente hay otros servicios que se proponen como parte de la automatización de la casa, misma que será tan inteligente como el propietario lo desee (no necesariamente puede tener todos los servicios desde el inicio) y, el grado de inteligencia lo va a elegir el usuario final, en base a sus necesidades. A la hora de plantear la instalación de un sistema domótico en nuestra casa, hay que tener en cuenta una serie de aspectos muy importantes: En lo que respecta a la vivienda: El clima de la región donde esté ubicado el edificio. El tamaño de la vivienda y de sus estancias. Si tiene o no jardín/zona exterior. En lo que se refiere al propio sistema: Es importante que sea de manejo sencillo y de fácil configuración. Si en la vivienda hay niños debe ser muy seguro. Lo mejor es escoger un sistema que permita ser ampliado con más dispositivos cuando sea necesario [1] 13

14 Cómo Funcionan? Los sistemas domóticos constan de varias partes, cada una de ellas encargada de una función. Algunos sistemas muy sencillos pueden tener sólo dos o tres de estas partes, aunque un sistema completo suele disponer de todas ellas. Controlador: el centro que controla, como su propio nombre indica, el sistema. Sensores: detectan la información y actúan en consecuencia. Por ejemplo, los sensores de presencia avisan al sistema cuando detectan a las personas para que encienda luces, active alarmas, etc. Actuadores: son los dispositivos que actúan de acuerdo con la información emitida por los sensores: encienden las luces, bajan las persianas, etc. Bus de datos: es el canal de transmisión por el que los datos circulan a través del sistema. Se trata de una red de cableado propia y única para la instalación; puede tratarse de cables coaxiales (similares a los de las antenas de TV), fibra óptica... En ocasiones, el sistema comparte alguna red de la vivienda, como la telefónica o la eléctrica. También existen sistemas y dispositivos que funcionan sin cables, a través de ondas de radio. Interfaces: son los dispositivos y formatos (binario, audio,etc) a través de los cuales el usuario actúa sobre el sistema: teléfono, PC, etc. En la ilustración 2 se puede observar la estructura general que presenta un sistema domótico. [1] Ilustración 2.- Estructura de un Sistema Domótico 14

15 Qué controlan los sistemas domóticos? Con la instalación de un sistema domótico se pueden controlar todos los aparatos eléctricos y electrónicos de la vivienda. Las aplicaciones más comunes suelen ser las que tienen relación con: Seguridad: alarmas anti-intrusos, sistemas antirrobo, alarmas para fugas de gas, incendios, inundaciones, etc. Alumbrado: es sencillo de controlar mediante la domótica. Se puede establecer un sistema para que las luces del exterior se enciendan cuando se va el sol, y se apaguen por la mañana. También sirven como medida disuasoria anti-intrusos, y para iluminar la entrada a la vivienda. Estos sistemas también sirven para el interior, y son una buena forma de ahorrar energía eléctrica. Calefacción y climatización: se programan de acuerdo a la temperatura ambiente para que se enciendan o se apaguen. Otra opción es programarlas para que estén encendidas antes de que lleguemos a nuestra casa y así encontrar un ambiente agradable. Riego automático: en el jardín se puede programar para no tener que ocuparnos personalmente, o para que las plantas sobrevivan cuando no estamos. Hay sistemas con sensores de humedad que activan el riego cuando no llueve. Ventanas: para ventilar la vivienda durante el tiempo justo. Electrodomésticos: se pueden programar mediante sistemas domóticos; por ejemplo, podemos hacer que el horno se encienda un rato antes de que lleguemos a casa para poder usarlo de inmediato. [1] Ventajas y Desventajas Una vivienda con sistema domótico incorporado se revaloriza considerablemente, pudiendo aumentar su precio de venta en un 0,5-3%. Además, el control del alumbrado y de los sistemas de climatización supone un considerable ahorro de energía. Son casas más cómodas y seguras, y resultan muy adecuadas para personas con discapacidades. Por otra parte, no todo son ventajas. Los sistemas domóticos son caros, y si la vivienda no es nueva o está en fase de reforma hay que realizar una obra importante para instalar el cableado (esto no ocurre con los sistemas controlados por radio). Si el dispositivo controlador se estropea el sistema queda inutilizado, con los consiguientes riesgos, por ejemplo, en lo que respecta a la seguridad. [1] 15

16 1.2.-Sistemas SCADA (Supervisión control y adquisición de datos) Conceptos básicos Los sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition- supervisión, control y adquisición de datos) son aplicaciones de software, diseñadas con la finalidad de controlar y supervisar procesos a distancia. Se basan en la adquisición de datos de los procesos remotos. Se trata de una aplicación de software, especialmente diseñada para funcionar sobre computadoras en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde una computadora. Además, envía la información generada en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como hacia otros supervisores dentro de la empresa, es decir, que permite la participación de otras áreas como por ejemplo: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc. Cada uno de los items de SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de datos) involucran muchos subsistemas, por ejemplo, la adquisición de los datos puede estar a cargo de un PLC (Controlador Lógico Programable) el cual toma las señales y las envía a las estaciones remotas usando un protocolo determinado. Las tareas de Supervisión y Control generalmente están más relacionadas con el software SCADA, en él, el operador puede visualizar en la pantalla del computador de cada una de las estaciones remotas que conforman el sistema, los estados de ésta, las situaciones de alarma y tomar acciones físicas sobre algún equipo lejano, la comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos. Estos sistemas actúan sobre los dispositivos instalados, Además permiten controlar el proceso desde una estación remota, para ello el software brinda una interfaz gráfica que muestra el comportamiento del proceso en tiempo real. Generalmente se vincula el software al uso de una computadora o de un PLC, la acción de control es realizada por los controladores de campo, pero la comunicación del sistema con el operador es necesariamente vía computadora. 16

17 Ofrecimientos de un software SCADA Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. Generación de datos históricos de las señale de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones. Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU (unidad central de procesamiento) de la computadora. Existen diversos tipos de sistemas SCADA dependiendo del fabricante y sobretodo de la finalidad con que se va a hacer uso del sistema, por ello antes de decidir cuál es el más adecuado hay que tener presente si cumple o no ciertos requisitos básicos: Todo sistema debe tener arquitectura abierta, es decir, debe permitir su crecimiento y expansión, así como deben poder adecuarse a las necesidades futuras del proceso y de la planta. La programación e instalación no debe presentar mayor dificultad, debe contar con interfaces gráficas que muestren un esquema básico y real del proceso. Deben permitir la adquisición de datos de todo equipo, así como la comunicación a nivel interno y externo (redes locales y de gestión) Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables para el usuario Principales funciones del sistema Supervisión remota de instalaciones y equipos: Permite al operador conocer el estado de desempeño de las instalaciones y los equipos alojados en la planta, lo que permite dirigir las tareas de mantenimiento y estadística de fallas. 17

18 Control remoto de instalaciones y equipos: Mediante el sistema se puede activar o desactivar los equipos remotamente (por ejemplo abrir válvulas, activar interruptores, prender motores, etc.), de manera automática y también manual. Además es posible ajustar parámetros, valores de referencia, algoritmos de control, etc. Procesamiento de datos: El conjunto de datos adquiridos conforman la información que alimenta el sistema, esta información es procesada, analizada, y comparada con datos anteriores, y con datos de otros puntos de referencia, dando como resultado una información confiable y veraz. Visualización gráfica dinámica: El sistema es capaz de brindar imágenes en movimiento que representen el comportamiento del proceso, dándole al operador la impresión de estar presente dentro de una planta real. Estos gráficos también pueden corresponder a curvas de las señales analizadas en el tiempo. Generación de reportes: El sistema permite generar informes con datos estadísticos del proceso en un tiempo determinado por el operador. Representación de señales de alarma: A través de las señales de alarma se logra alertar al operador frente a una falla o la presencia de una condición perjudicial o fuera de lo aceptable. Estas señales pueden ser tanto visuales como sonoras. Almacenamiento de información histórica: Se cuenta con la opción de almacenar los datos adquiridos, esta información puede analizarse posteriormente, el tiempo de almacenamiento dependerá del operador o del autor del programa. Programación de eventos: Está referido a la posibilidad de programar subprogramas que brinden automáticamente reportes, estadísticas, gráfica de curvas, activación de tareas automáticas, etc Transmisión de la Información Los sistemas SCADA necesitan comunicarse vía red, puertos GPIB, telefónica o satélite, es necesario contar con computadoras remotas que realicen el envio de datos hacia una computadora central, está a su vez será parte de un centro de control y gestión de información. Para realizar el intercambio de datos entre los dispositivos de campo y la estación central de control y gestión, se requiere un medio de comunicación, existen diversos medios que pueden ser cableados (cable coaxial, fibra óptica, cable telefónico) o no cableados (microondas, ondas de radio, comunicación satelital). 18

19 Ilustración 3.- Comunicación no Cableada Cada fabricante de equipos para sistemas SCADA emplean diferentes protocolos de comunicación y no existe un estándar para la estructura de los mensajes, sin embargo existen estándares internacionales que regulan el diseño de las interfaces de comunicación entre los equipos del sistema SCADA y equipos de transmisión de datos. La comunicación entre los dispositivos generalmente se realiza utilizando dos medios físicos: cable tendido, en la forma de fibra óptica o cable eléctrico, o radio. En cualquiera de los casos se requiere un MODEM, el cual modula y demodula la señal. Algunos sistemas grandes usan una combinación de radio y líneas telefónicas para su comunicación. Debido a que la información que se transmite sobre un sistema SCADA debería ser pequeño, generalmente la velocidad de transmisión de los modem suele ser baja. Muchas veces 300bps (bits de información por segundo) es suficiente. Pocos sistemas SCADA, excepto en aplicaciones eléctricas, suelen sobrepasar los 2400bps, esto permite que se pueda usar las líneas telefónicas convencionales, al no superar el ancho de banda físico del cable Comunicaciones En una comunicación deben existir tres elementos necesariamente: Un medio de transmisión, sobre el cual se envían los mensajes Un equipo emisor, que puede ser el MTU (unidad central) Un equipo receptor, que se puede asociar a los RTU s (unidad remota). En telecomunicaciones, el MTU y el RTU son también llamados Equipos terminales de datos (DTE, Data Terminal Equipments). Cada uno de ellos tiene la 19

20 habilidad de generar una señal que contiene la información a ser enviada. Asimismo, tienen la habilidad para descifrar la señal recibida y extraer la información, pero carecen de una interfaz con el medio de comunicación. La ilustración 4 muestra la conexión de los equipos con las interfaces para el medio de comunicación. Los modems, llamados también Equipo de Comunicación de Datos (DCE, Data Communication Equipment), son capaces de recibir la información de los DTE s (Data terminal equipment), hacer los cambios necesarios en la forma de la información, y enviarla por medio de comunicación hacia el otro DCE, el cual recibe la información y la vuelve a transformar para que pueda ser leído por el DTE. Ilustración 4.- Esquema de conexión de equipos e interfaz de comunicación Elementos del Sistema Un sistema SCADA está conformado por: Interfaz Operador Máquinas: Es el entorno visual que brinda el sistema para que el operador se adapte al proceso desarrollado por la planta. Permite la interacción del ser humano con los medios tecnológicos implementados. Unidad Central (MTU): Conocido como Unidad Maestra. Ejecuta las acciones de mando (programadas) en base a los valores actuales de las variables medidas. La programación se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (como C, Basic, etc.). También se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. 20

21 Unidad Remota (RTU): Lo constituye todo elemento que envía algún tipo de información a la unidad central. Es parte del proceso productivo y necesariamente se encuentra ubicada en la planta. Sistema de Comunicaciones: Se encarga de la transferencia de información del punto donde se realizan las operaciones, hasta el punto donde se supervisa y controla el proceso. Lo conforman los transmisores, receptores y medios de comunicación. Transductores: Son los elementos que permiten la conversión de una señal física en una señal eléctrica (y viceversa). Su calibración es muy importante para que no haya problema con la confusión de valores de los datos. Ilustración 5.- Esquema de elementos de un sistema SCADA En la ilustración 6 se observa un esquema referente a las conexiones del MTU y el operador, y del RTU con los dispositivos de campo (sensores, actuadores). Ilustración 6.- Esquema de conexiones para el MTU y RTU 21

22 La RTU es un sistema que cuenta con un microprocesador e interfaces de entrada y salida tanto analógicas como digitales que permiten tomar la información del proceso provista por los dispositivos de instrumentación y control en una localidad remota y, utilizando técnicas de transmisión de datos, enviarla al sistema central. La MTU, bajo un software de control, permite la adquisición de los datos a través de todas las RTUs ubicadas remotamente y brinda la capacidad de ejecutar comandos de control remoto cuando es requerido por el operador. La conexión entre el RTU y los dispositivos de campo es muchas veces realizados vía conductor eléctrico. Usualmente, el RTU provee la potencia para los actuadores y sensores, y algunas veces éstos vienen con un equipo de soporte ante falla en la alimentación de energía Los datos adquiridos por la MTU se presentan a través una interfaz gráfica en forma comprensible y utilizable Software SCADA A continuación se presenta una lista de algunos software SCADA y sus fabricantes: Aimax Desin Instruments S. A. CUBE Orsi España S. A. FIX Intellution. Lookout National Instruments. Monitor Pro Schneider Electric. Scada InTouch LOGITEK. SYSMAC SCS Omron. Scatt Graph 5000 ABB. WinCC Siemens. Coros LS-B/Win Siemens. CIRNET CIRCUTOR S.A FIXDMACS Omron-Intellution RS-VIEW32 Rockwell GENESIS32 Iconics 22

23 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) El software labview es ideal para cualquier sistema de medidas y control, es el corazón de la plataforma de diseño de NI. Al integrar todas las herramientas que los ingenieros y científicos necesitan para construir una amplia variedad de aplicaciones en mucho menos tiempo, NI labview es un entorno de desarrollo para resolver problemas, productividad acelerada y constante innovación. [8] Conceptos Básicos Primeramente antes de entrar a lo que es labview es necesario conocer nuevos conceptos acerca de la Instrumentación Virtual. Semánticamente, virtual es algo aparente, que no es real pero que se comporta como tal. En la actualidad se manejan términos como los de instrumentación virtual, laboratorio virtual, ambientes virtuales, y realidad virtual. No se debe confundir laboratorio virtual con instrumento virtual aunque existe una estrecha relación. Se habla de laboratorio virtual cuando se simula un proceso o sistema que se parece y se comporta como un proceso o sistema real, para poder observar su comportamiento. Se habla de instrumento virtual cuando se emplea la computadora para realizar funciones de un instrumento clásico pudiendo agregarle al instrumento otras funciones a voluntad. A pesar de esta pequeña diferencia, un laboratorio con instrumentos virtuales no es un laboratorio virtual. En el campo de la instrumentación quien introdujo por primera vez el término virtual fue la compañía National Instrument en 1986, al elaborar un programa que de manera simple y gráfica permitiera simular un instrumento en una PC, con lo cual dio origen al concepto de instrumento virtual; definido como un instrumento que no es real, corre en una computadora y tiene funciones definidas por programación. El instrumento tradicional ya está definido, con capacidades de entrada/salida de señales y una interfaz de usuario fija. El fabricante define la funcionalidad del instrumento, el usuario no puede cambiarla. Dada la arquitectura abierta de los PCs y las estaciones de trabajo, la funcionalidad de los instrumentos virtuales está definida por el usuario. Además, la capacidad de procesamiento de los instrumentos virtuales es superior a la de instrumentos estándares, debido a la rápida evolución de la tecnología de los PCs y de las estaciones de trabajo como resultado de las grandes inversiones que se efectúan en la industria. [8] En la Tabla 1.1 (Apéndice B) nos muestra lo requerimientos para los sistemas de desarrollo para LabVIEW 2012: 23

24 Qué es el LabView? LabVIEW es un programa para el desarrollo de aplicaciones de propósitos generales, tales como el C, el Basic, el Pascal. Es una plataforma de programación gráfica que ayuda a ingenieros a escalar desde el diseño hasta pruebas y desde sistemas pequeños hasta grandes sistemas. Ofrece integración sin precedentes con software legado existente, IP y hardware al aprovechar las últimas tecnologías de cómputo. LabVIEW ofrece herramientas para resolver los problemas de hoy en día y la capacidad para la futura innovación, más rápido y de manera más eficiente. [8] Ilustración 7.- Esquema General Ambiente de Desarrollo Todo ambiente de desarrollo está formado por los siguientes elementos. Es importante que se busque y se practiquen con frecuencia ya que esto permite que el desarrollo de las aplicaciones se realice con mayor rapidez y calidad. [8] DEPURACIÓN: Puntos de ruptura. Depuración paso a paso. Ventana de seguimiento a variables. FACILIDADES DE DESARROLLO: 24

25 Panel Frontal: para observar el estado de la pantallas que estamos desarrollando. Paletas de funciones y controles para adicionar a nuestro proyecto. Herramientas para alinear las paletas y funciones Lenguaje de Programación LabVIEW usa el lenguaje de programación gráfico Lenguaje G. Las posibilidades son normalmente las mismas que presenta cualquier lenguaje de programación: Sentencias (Gráficos) de control de flujo y repetitivas. Posibilidad de declaración de variables. Modularidad a través de la confección de funciones. Trabajo con los eventos y propiedades de los controles y variables. Incluye biblioteca de funciones extendida para cualquier tarea de programación. Basado en objetos pero no permite nuevas declaraciones. Mecanismo de conexión con lenguaje C y C++ y DLL. Algo muy característico de LabVIEW y es por ello que se considera una herramienta para el desarrollo de instrumentos virtuales, es su extensa biblioteca de funciones especializada en la adquisición, acceso a buses de campo, procesamiento matemático y procesamiento de señales. [8] Tarjeta de Adquisición de Datos. Bus GPIB. Entrada/Salida (puerto serie y paralelo). Arquitectura VISA. Análisis de señales. Almacenamiento de datos. Comunicación (TCP-IP, UDP y otros). Matemáticas Cómo se trabaja con el LabVIEW? Los programas en labview son llamados Instrumentos Virtuales (y son salvados con la extensión.vi). Los programas de labview constan de un panel frontal y un diagrama de bloques. En el panel frontal se diseña la interfaz con el usuario, viene a ser la cara del VI y en el diagrama de bloques se programa en lenguaje G el funcionamiento del VI. [8] 25

26 Ilustración 8.- Esquema de programación El panel frontal El panel frontal de un VI es una combinación de controles e indicadores. Los controles son aquellos elementos que entregan datos al diagrama en bloques desde el panel frontal por entrada desde teclado o con el mouse, simulan los dispositivos de entrada de datos del VI y pasan los datos al diagrama en bloque del VI. Los indicadores son aquellos elementos que entregan datos al panel frontal desde el diagrama en bloques para ser visualizados en el display, simulan los dispositivos de salida de datos del VI que toman los datos desde el diagrama en bloque del VI. Para adicionar controles o indicadores al panel frontal se seleccionan estos de la paleta de controles que se encuentra en una ventana flotante y a la cual se accede a través de accionar el botón derecho del ratón sobre el panel frontal. A los 26

27 controles e indicadores se les puede cambiar el tamaño, la forma, y la posición, además cada control o indicador tiene un pop-up menú en el cual se pueden cambiar varios atributos o seleccionar diferentes opciones. [8] Los controles Entregan datos al diagrama de bloques por medio del teclado o raton. Simulan dispositivos de entrada de datos del VI. Ilustración 9.- Control Los Indicadores Muestran datos en el panel frontal desde el diagrama de bloques para ser visualizados. Simulan los dispositivos de salida del VI. Ilustración 10.-Indicador El Diagrama de Bloques La ventana Diagrama almacena el diagrama en bloques del VI, el código fuente gráfico (Lenguaje G) del Instrumento Virtual. Se construye este diagrama con bloques funcionales denominados nodos, conectándose o uniéndose entre sí según sea el objetivo. Estos nodos realizan todas las funciones específicas necesarias para el VI y controlan flujo de la ejecución del VI. Para ver los tipos de datos que se manejan véase la Tabla 1.2 (Apéndice B). [8] 27

28 Tipos de Variables Numéricas Cuando se pone un control o indicador en el panel frontal, LabVIEW pone una terminal correspondiente a este control o indicador en el diagrama de bloques. Este terminal desaparece cuando se borra el control o indicador. Los enlaces o alambres son los caminos de los datos entre los terminales fuente y los terminales destino. No se permite enlazar dos terminales fuente ni dos terminales destino, y si se permite enlazar un terminal fuente a varios terminales destino. Ilustración 11.- Variables Numéricas Variables Locales Las variables locales permiten hacer lecturas o escrituras sobre el control o indicador al cual está asociado. Ilustración 12. Variables locales 28

29 1.4.-TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (NI-USB-6211) La tarjeta de adquisición de Datos NI-USB-6211, de la compañía National Instrument, es el dispositivo que permitirá lograr una interacción de las señales analógicas del mundo físico y el mundo virtual de la computadora, la cual funciona con señales de información en un sistema binario muy complejo, en esencia nuestra tarjeta de adquisición se encargara de realiza la conversión de las señales Analógico/Digital. Esta tarjeta a su vez se encuentra interactuando un software de programación llamado labview (national instrument), programa que se encargará de dar las órdenes a la tarjeta para recibir o enviar señales en un tiempo determinado, a través de una conexión vía USB. A continuación se muestra una imagen en la cual se aprecia el aspecto físico de la tarjeta de adquisición. [5] Ilustración 13. Tarjeta de Adquisición de Datos (NI-USB-6211) Vista General del Sistema La ilustración 15 muestra un sistema de adquisición de datos típico, que incluye el dispositivo USB-621x, el software de programación y PC (DAQ sistemas que implican la USB-621x, el dispositivo de terminación en masa también puede incluir dispositivos para acondicionamiento de señal y un cable para la conexión de accesorios). [5] 29

30 Ilustración 14. Componentes de un sistema típico DAQ DAQ Hardware DAQ hardware digitaliza las señales, realiza la conversión D/A para generar señales analógicas de salida y las medidas y controles digitales de E/S analógicas. Véase ilustración 16. [5] Ilustración 15. Componentes característicos común en todos los dispositivos NI-USB-621x Acondicionamiento de Señales Muchos de los sensores y transductores requieren acondicionamiento de la señal antes de un sistema de medición de forma efectiva y precisa puede adquirir la señal. El sistema de señal de front-end acondicionado puede incluir funciones tales como amplificación de señal, atenuación, filtrado, aislamiento eléctrico, muestreo simultáneo, y multiplexación. Además, muchos transductores requieren corrientes 30

31 o voltajes de excitación, la terminación del puente, linealización, o amplificación de alta para un funcionamiento correcto y preciso. Por lo tanto, la mayoría sistemas basados en ordenador de medición incluyen alguna forma de señal acondicionada, además de plug-in de adquisición de datos DAQ. [5] V Energía Los +5 V en los terminales del conector de E/S se pueden utilizar ya sea como una salida o una entrada. Ambas terminales están conectados internamente en el USB-621x. +5 V de energía como una salida: Debido a que los dispositivos USB-621x son bus, hay un límite de 50 ma en la corriente total que se puede sacar de los terminales 5V y de las salidas digitales. Las USB-621x monitorea la corriente total y deja caer el voltaje en todas las salidas digitales y las terminales de 5V el límite es 50 ma excedido. +5 V de energía como entrada: Si tiene altas cargas de corriente de las salidas digitales que conducir, puede exceder el límite de 50 ma interno mediante la conexión de una fuente de alimentación de +5 V externa a las terminales de 5V. Estas terminales están protegidos contra subtensión y sobretensión, y tienen un fusible para protegerlos de los cortocircuito. Si su dispositivo USB-621x tiene más de un +5 V terminal, se puede conectar la fuente de alimentación externa a una terminal y utilizar el otro como una fuente de energía. [5] Entrada Analógica En la ilustración 17 se muestra el circuito de entrada analógica de los dispositivos NI-USB Ilustración 16. Circuito de entradas analógicas 31

32 Los bloques principales que aparecen en el circuito de entrada USB-621x analógica son los siguientes: Conector E/S: se puede conectar señales analógicas de entrada al dispositivo USB-621x a través del conector I/O. La forma correcta para conectar las señales analógicas de entrada depende de la entrada analógica de referencia en tierra. MUX: cada USB-621x tiene un convertidor analógico-a-digital (ADC). La ruta de los multiplexores (MUX) un canal AI a la vez a la ADC a través del NI-PGIA. AI referencia de tierra-principal: Cada canal AI puede utilizar un modo diferente. NI-PGIA-El NI ganancia programable amplificador de instrumentación (NI-PGIA) es una medición y un amplificador de clase instrumento que reduce al mínimo los tiempos de sedimentación para todos los rangos de entrada. El NI-PGIA puede amplificar o atenuar una señal de AI para asegurarse de que se utiliza el máximo resolución del ADC. Los dispositivos USB-621x utilizan la NI-PGIA para ofrecer una alta precisión incluso la toma de muestras de múltiples canales con pequeños rangos de entrada a tasas rápidas. Los dispositivos USB-621x pueden probar los canales en cualquier orden en la máxima tasa de conversión, y se puede programar individualmente cada canal en una muestra con un rango de entrada diferente. ADC: El convertidor de analógico a digital (ADC) digitaliza la señal AI mediante la conversión de la señal analógica en un número digital. AI FIFO: los dispositivos USB-621x pueden realizar tanto simples como múltiples Las conversiones A/D de un número fijo o infinito de muestras. Un gran búfer, primero en entrar, primero en salir (FIFO) contiene datos durante la adquisición de AI para garantizar que no se pierdan datos. La USB-621x puede manejar múltiples dispositivos A/D operaciones de conversión con DMA, interrupciones, o programado I/O. [5] Rango de Entrada Analógica El intervalo de entrada afecta a la resolución del dispositivo USB-621x para un canal AI. Por ejemplo, un ADC de 16-bit convierte las entradas analógicas en una sola de (= 2^16) códigos, es decir, uno de 65,536 valores digitales posibles. Así, para un rango de entrada de -10 V a 10 V, el voltaje de cada código de un 16-bit ADC es: 32

33 Los dispositivos USB-621x utilizan un método de calibración que requiere algunos códigos (normalmente alrededor de 5% de los códigos) para estar fuera de la gama especificada. Este método de calibración mejora la precisión absoluta, pero aumenta el nominal resolución de rangos de entrada en aproximadamente un 5% más de lo que la fórmula mostrada anteriormente indicaría. Seleccione un rango de entrada que coincide con el rango de entrada de la señal esperada. Un rango de entrada de gran tamaño puede acomodar una gran variación de la señal, pero reduce la resolución de voltaje. La elección de un rango de entrada más pequeño mejora la tensión resolución, pero puede resultar en la señal de entrada que va fuera de rango. Para ver los rangos de entrada para los dispositivos NI USB 621x véase la Tabla 1.3 Apéndice B. [5] Entrada analógica Métodos de Adquisición de Datos Para realizar las mediciones de entrada analógica, puede realizar temporizadas por software o adquisiciones cronometradas por hardware: Software-Timed Adquisitions: Con una adquisición temporizada por software, el software controla la velocidad de la adquisición. El Software envía un comando independiente para el hardware para iniciar cada conversión ADC. En NI-DAQmx, el software-timed-adquisitions se refiere a tener un tiempo de demanda. software-timed-adquisitions también se le conoce como adquisición inmediata o estática y se utilizan normalmente para la lectura de un muestra única de datos. Hardware-timed-Adquisitions:- Hardware-timed-Adquisitions, una señal de hardware digital, la muestra de reloj de AI, controla la velocidad de la adquisición. Esta señal puede ser generada internamente en el dispositivo o aportar desde el exterior. Hardware-timed-Adquisitions tiene varias ventajas sobretemporizadas por adquisiciones de software: El tiempo entre muestras puede ser mucho más corto. El tiempo entre muestras es determinista. Hardware-timed-Adquisitions puede utilizar hardware de disparo. Temporizadas por hardware las operaciones se almacenan. En una adquisición tamponada, se mueven los datos de la memoria del dispositivo DAQ de FIFO a bordo de un PC búfer usando corrientes de señal USB o E/S programada antes de que sea transferidos a la memoria de la aplicación. Adquisiciones búfer normalmente permiten velocidades de transferencia mucho más rápidas que las 33

34 adquisiciones no amortiguadas porque los datos se mueven en grandes bloques, en lugar de un punto a la vez. Una de las propiedades de la I/O tamponada que es el modo de muestra. El modo de ejemplo puede ser finito o continuo: El modo de Adquisición Muestra finita se refiere a la adquisición de un específico, número predeterminado de muestras de datos. Después de que el número específico de muestras se ha leído la adquisición se detiene. Si utiliza un disparador de referencia, debe utilizar el modo de muestras finitas. Adquisición continua se refiere a la adquisición de un, no especificado, número de muestras. En lugar de adquirir un número determinado de datos muestras y parada, una adquisición continúa hasta que se detiene el funcionamiento. Adquisición continua también se denomina como doble memoria intermedia o búfer de adquisición circular. Si los datos no pueden ser transferidos a través del bus lo suficientemente rápido, el FIFO se llena. Las nuevas adquisiciones se sobreponen a los datos en la FIFO antes de que pueda ser transferido a la memoria principal. El dispositivo genera un error en este caso. Con operaciones continuas, si el usuario programa no leer datos de la memoria intermedia de PC lo suficientemente rápido para continuar con la transferencia de datos, la memoria intermedia podría alcanzar una condición de desbordamiento, causando un error. [5] Conexión de las señales analógicas de entrada en dispositivos USB- 6210/6211/6212 La Tabla 1.4 (Apéndice B) resume la configuración recomendada de entrada para ambos tipos de fuentes de señal digital y analógica en dispositivos USB- 6210/6211/6212. [5] Salida analógica La mayoría de los USB-621x dispositivos tienen la funcionalidad de la salida analógica. Los dispositivos USB-621x que admiten la salida analógica AO tienen dos canales controlados por un solo reloj y capaz de la generación de forma de onda. La imagen (XX) muestra el circuito de salida analógica de dispositivos USB-621x. 34

35 Ilustración 17. Circuito salidas analógicas Los bloques principales que aparecen en el circuito de salida analógica USB-621x son: Convertidores DAC0 y DAC1:-convertidor digital a analógico (DAC) se convierten códigos digitales de tensiones analógicas. AO FIFO FIFO El AO: permite la generación de forma de onda para la salida analógica. Es el primero en entrar, primero en salir (FIFO) búfer de memoria entre la computadora y los DACs. Le permite descargar los puntos de una forma de onda a tu USB-621x dispositivo sin necesidad de interacción con la computadora. Muestra AO Reloj-La Muestra AO señal de reloj da una muestra de la FIFO DAC y genera el voltaje de AO. Consulte la Muestra AO Señal de reloj para obtener más información. El rango de AO es de ± 10 V para USB-621x dispositivos. [5] Digital I/O Consulte una de las secciones siguientes, dependiendo de su dispositivo: E/S digitales en dispositivos USB-6210/6211/6215/6218- USB- 6210/6211/6215/6218 dispositivos tienen hasta ocho líneas de la tecnología digital entradas (DI) y hasta ocho líneas de salida digital (DO). E/S digitales en dispositivos USB-6212/6216 Devices-USB-6212/6216 tienen 32 bidireccionales estáticas E/S digitales (DIO) líneas. [5] Digital I/O Dispositivos NI USB 621X Los dispositivos USB-6210/6211/6215/6218 tienen hasta ocho entradas digitales estáticas líneas, P0. <0.. 7>. Estas líneas también se pueden usar como entradas 35

36 de PIF. Dispositivos USB-6210/6211/6215/6218 tienen hasta ocho salidas digitales estáticas líneas, P1. <0.. 7>. Estas líneas también se pueden utilizar como salida de PFI. Por defecto, el líneas de salida digital se desactivan (alta impedancia con un 47 kw pull-down resistencia) durante el encendido. El software puede activar o desactivar el puerto entero (software no puede habilitar líneas individuales). Una vez que el puerto está activado, puede configurar individualmente cada línea por la siguiente: Establecer una línea a un 0 estático. Establecer una línea a un estático 1. Exportación de una señal de salida de sincronización para una línea como un pin PFI. El voltaje de entrada y niveles de salida y el nivel de corriente de accionamiento de la DI y DO líneas se enumeran en la NI USB-621x Especificaciones. La ilustración 19 muestra el circuito de una línea DI y una DO de línea. Ilustración 18. Circuito DI y DO Los terminales de DI se nombran P0. <0.. 7> en los dispositivos USB- 6210/6211/6215/6218 de E/S conector. Los terminales se denominan DO P1. <0 7> en el conector de los dispositivos USB-6210/6211/6215/6218 de E/S Protección sobre Dispositivos USB-6212/6216 I / O Cada señal de DIO y PFI está protegida contra sobretensión, baja tensión, y condiciones de sobrecorriente, así como eventos de ESD. Sin embargo, se debe evitar estas condiciones de falla siguiendo estas instrucciones: 36

37 Si se configura una línea PFI o DIO como una salida, no lo conecte a ninguna fuente externa de señal, señal de tierra, o fuente de alimentación. Si se configura una línea PFI o DIO como salida, comprender el actual requisito de la carga conectada a estas señales. No exceda los límites especificados de intensidad de salida del dispositivo DAQ. NI tiene soluciones para varias señales de acondicionamiento para las aplicaciones digitales que requieren alta capacidad de corriente. Si se configura una línea PFI o DIO como entrada, no maneje la línea con tensiones fuera de su rango de operación normal. El PFI o líneas DIO tienen un rango de operación más pequeña que las señales de AI. Trate el dispositivo DAQ como lo haría con cualquier dispositivo sensible a la estática. Siempre toque tierra correctamente y el equipo al manipular el dispositivo DAQ o la conexión a la misma. 37

38 Capítulo 2.- Instalaciones Residenciales Basadas en la Norma NOM-001-SEDE-2012 Refiriéndose a lo que son instalaciones eléctricas, las instalaciones eléctricas residenciales son las más sencillas de elaborar en cuanto al equipo y materiales necesarios para realizarlas, no requieren de la certificación de la ley del servicio público de energía eléctrica (LSPEE) ya que está se aplica en el caso de ciertas instalaciones comerciales e industriales, las cuales se mencionan en dicha ley. Las normas están diseñadas para procurar la seguridad de las personas, por lo tanto no está por demás tomarlas en cuenta en el momento de elaborar el proyecto eléctrico sin importar lo pequeño que sea éste. [2] 2.1.-Localización de los Elementos de una Instalación Eléctrica Residencial El momento oportuno para elegir la localización de cargas y salidas dentro de una instalación eléctrica residencial, tanto interior como exterior, es, durante el levantamiento del plano arquitectónico o en la obra, el interesado debe decidir e indicar la localización de lámparas, receptáculo, salidas de todo tipo de acuerdo a sus necesidades. Se deben tomar diferentes consideraciones de acuerdo a las disposiciones de la norma, con la finalidad de que la instalación eléctrica sea segura y funcional. Los siguientes puntos son aspectos importantes que se deben considerar para la instalación, estos puntos están basados en la norma NOM-001-SEDE-2012: 1. Las salidas para receptáculos (contactos) deben de instalarse a una altura de 30 a 40 cm. del piso, colocando al menos 2 por habitación y en muros diferentes. 2. Las salidas para contactos deben instalarse de modo que ningún punto medido horizontalmente a largo de la línea del piso de cualquier espacio de pared esté a más de 1.80 metros, de una salida para contacto. (artículo , apartado 1, NOM-001-SEDE 2012) 3. En la cocina, despensa, comedor, desayunador o área similar de una unidad de vivienda, los dos o más circuitos derivados de 20 amperes para aparatos pequeños, deben alimentar todas las salidas de contactos de pared y de piso. ( artículo NOM-001-SEDE-2012) 4. En los cuartos de baño de unidades de vivienda se debe instalar por lo menos un contacto a no más de 90 cm. del borde exterior de cada lavabo. 38

39 Las salidas de contacto se deben localizar en una pared o una división que sea adyacente al lavabo o a la cubierta del lavabo, localizadas en la cubierta, o se debe instalar en la superficie lateral o frontal del gabinete del lavabo a no más de 30 cm. por debajo de la cubierta. Se permite que los ensambles de salidas de contacto aprobados para esta aplicación sean instalados en las cubiertas. (artículo , NOM-001-SEDE-2012) 5. Directamente por encima de un aparador debe instalarse por lo menos una salida para contacto por cada 3.50 metros del aparador, medidos horizontalmente en su parte más ancha. (artículo NOM-001-SEDE- 2012) 6. Debe instalarse una salida para contacto monofásica de 120 volts y 15 ó 20 amperes en un lugar accesible para el mantenimiento de los equipos de calefacción, refrigeración y aire acondicionado en las azoteas, áticos y espacios de poca altura. La salida para contacto debe estar situada al mismo nivel y a una distancia no mayor de 7.50 metros del equipo de calefacción, refrigeración o aire acondicionado. La salida para contacto no debe conectarse del lado de la carga del medio de desconexión del equipo. ( artículo NOM-001-SEDE-2012) 7. Debe instalarse al menos una salida para alumbrado controlada por un interruptor de pared, en todos los cuartos habitables y cuartos de baño. ( artículo , NOM-001-SEDE-2012) 8. Las salidas para interruptores deben instalarse cuidando que no sean obstruidas por el abatimiento de las puertas o algún mueble. 9. Una de las salidas de interruptores de escalera debe colocarse cerca de la cabecera de las camas. 10. El interruptor de seguridad debe instalarse lo más próximo posible a la acometida y equipo de medición de la compañía suministradora. 11. Al instalarse el centro de carga, deben evitarse lugares húmedos o muros en los que se alojen tubería de agua o gas. 12. Las salidas para TV, teléfono e internet deben separarse de las salidas para receptáculos e interruptores. [10] Lo anterior debe ser plasmado sobre el plano arquitectónico de acuerdo a la simbología NMX-J-136-ANCE correspondiente a cada elemento para después trazar en el las trayectorias de las canalizaciones para comunicar todas las salidas o cajas de conexiones; posteriormente dichas líneas deberán convertirse en canalizaciones físicas. Las canalizaciones se trazan partiendo del centro de cargas o interruptor principal. Para la correcta planeación de las trayectorias de las canalizaciones se debe determinar y diseñar previamente la forma de conexión de cada carga, ya sea 39

40 lámpara, receptáculo, salida para motor o cualquier tipo de salida, mediante diagramas esquemáticos o diagramas de circuitos. Después de concluido lo anterior, se cuantifica la cantidad necesaria de conductores para cada tramo de trayectorias y en función de su número máximo se determina el diámetro de la canalización, que por lo general son de 16mm (1/2 ) o 21mm (3/4 ). [2] 2.2.-Diagramas y Esquemas Eléctricos Elementales Antes de realizar la instalación eléctrica residencial, se debe de contar con conocimiento de electricidad y por ende de los diferentes tipos de conexiones que pueden ser requeridas dentro de la misma en diferentes lugares de la residencia, es por ello que ahora se hará mención de algunos de los diagramas, y esquemas más simples y comunes para la conexión de elementos en instalaciones eléctricas residenciales, en ellos se parte de una alimentación del tipo monofásica. El esquema Circuito eléctrico foco-apagador sencillo nos muestra lo que es la conexión más simple y elemental que se puede presentar dentro de nuestra instalación. Ilustración 19. Circuito eléctrico foco-apagador sencillo *FUENTE: Apuntes de clase, Instalaciones Residenciales, universidad Veracruzana, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Alfredo Ramírez Ramírez. En el esquema se puede apreciar que nuestra alimentación proviene de otro lugar fuera de la imagen. A la caja de conexiones llegan nuestros tres conductores (fase, neutro y tierra), el conductor neutro se conectará a una terminal del socket 40

41 de la lámpara, mientras el conductor fase solo pasa por ese lugar a y a través de la canalización correspondiente sigue la trayectoria requerida para conectarse a una de las terminales de un interruptor sencillo. El circuito se deberá completar con otro conductor, el cual se le llama comúnmente como regreso o retorno, que conecta la segunda terminal del socket con la segunda terminal del interruptor sencillo. Se puede apreciar en el esquema un tercer cable dentro de la instalación el cual es comúnmente llamado tierra este se conecta a todas las partes metálicas de la instalación así como de las cargas que lo requieran. Ilustración 20. Esquema eléctrico foco-apagador FUENTE: Julio C. Rodríguez Rocha & Carlos Aguirre Vélez. Instalaciones Eléctricas, Proyectos Residenciales e Industriales. Editorial Trilla En la ilustración 20 se puede apreciar el diagrama eléctrico correspondiente al esquema de la ilustración 19, 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. (Artículo NOM-001-SEDE- 2012) En Circuito eléctrico foco-apagador-contacto la ilustración 21 se muestra el esquema eléctrico en el cual los conductores de fase, neutro y tierra provenientes de algún lugar llegan a la caja de conexiones. El conductor neutro se conecta a una terminal del socket de la lámpara y en este punto se empalma otro conductor (sigue siendo neutro) el cual se localiza dentro de una canalización que se dirige a un receptáculo que a conectarse a una de las terminales. El conductor fase pasa por la caja de conexiones y se dirige a través de una canalización diferente para conectarse a una terminal de un interruptor sencillo; se conecta un conductor pequeño llamado proveniente del neutro con la segunda terminal del receptáculo, 41

42 el circuito se completa con el conductor regreso que conecta la segunda terminal del socket con la segunda terminal del interruptor sencillo. Ilustración 21. Circuito eléctrico foco-apagador-contacto *FUENTE: Apuntes de clase, Instalaciones Residenciales, universidad Veracruzana, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Alfredo Ramírez Ramírez. En la ilustración 21 del diagrama eléctrico se pueden apreciar los elementos y conductores utilizados para realizar la instalación mostrada en el esquema anterior. Ilustración 22. Esquema foco-apagador-contacto FUENTE: Julio C. Rodríguez Rocha & Carlos Aguirre Vélez. Instalaciones Eléctricas, Proyectos Residenciales e Industriales. Editorial Trilla 42

43 La ilustración 23 nos muestra una de las conexiones más utilizadas que se realizan en las habitaciones dentro de las instalaciones residenciales, este tipo de instalación es conocida como escalera. Se nota, como en nuestros esquemas anteriores, la llegada de los tres conductores (fase, neutro y tierra), el conductor neutro llega a la caja de conexiones donde se conecta a otros dos conductores (obtenemos unas derivaciones del neutro), cada uno de ellos se conecta a una de las tres terminales de los dos apagadores de escalera o tipo puente que se tienen; a su vez se realiza la misma acción con el conductor fase, conectamos dos conductores y se conectan a las otras dos terminales correspondientes de los interruptores. La terminal restante de los dos interruptores se conectan a las terminales del socket de nuestra lámpara, estas terminales son llamadas como terminal común, se diferencian de los demás con un distintivo que puede ser apreciado, dicho distintivo, en algunos apagadores, no es más que un símbolo +. Ilustración 23. Circuito eléctrico foco-apagadores escalera *FUENTE: Apuntes de clase, Instalaciones Residenciales, universidad Veracruzana, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Alfredo Ramírez Ramírez. El diagrama eléctrico correspondiente a la instalación eléctrica residencial presentada anteriormente se muestra en la ilustración 23 43

44 Ilustración 24. Esquema foco-apagadores escalera FUENTE: Julio C. Rodríguez Rocha & Carlos Aguirre Vélez. Instalaciones Eléctricas, Proyectos Residenciales e Industriales. Editorial Trilla Cabe mencionar que los diagramas y esquemas presentados anteriormente no son todos los tipos de instalaciones básicas que existen, sin embargo, estos son de mucha importancia, y a partir de la combinación de ellos se puede lograr una serie de combinaciones, las cuales nos permiten realizar cualquier tipo de instalación eléctrica residencial posible. [2] Cálculo y Selección de Conductores Para seleccionar de una manera adecuada los conductores indicados para una instalación eléctrica residencial se deben de llevar a cabo una serie de cálculos y procedimientos por personas capacitadas. Un objetivo muy importante en una instalación eléctrica residencial es preservar la seguridad de las personas y dejar en segundo plano la seguridad de la instalación. Los siguientes factores deben tomarse en consideración para el procedimiento: 1. La capacidad o tamaño de la carga en watts, VA o HP. 2. El factor de potencia de la carga. 3. La eficiencia cuando se presentan motores. 4. Tipo de canalización para los conductores. 5. La temperatura ambiente. 6. El máximo número de conductores para un tramo de canalización. 7. El tipo de conductor que se utilizará. 8. La longitud del circuito de los conductores. Generalmente las instalaciones eléctricas residenciales reúnen ciertas generalidades como: 44

45 1. Factor de potencia mayor a 0.85 (-) 2. Canalización tipo conduit de 16mm (1/2 ) de diámetro 3. Temperatura ambiente menor a Los conductores más usados por su comercialización y su tipo son: TW (60 ), THW,THW-LS,THHW(75 y THHW-LS (90 ).(véase Tabla 1.2 Apéndice A) 5. Cinco conductores o menos de calibre 12 AWG o siete de calibre 14 AWG dentro de un tubo conduit de 16mm de diámetro (véase Tabla C2 norma 001 sede 2012, Apéndice A, Tabla1.2) Un aspecto importante dentro del tema de conductores es la instalación de un conductor de puesta a tierra para conectar terminales y bases metálicas. La instalación puesta a tierra tiene como objetivo principal la seguridad de las personas. [2] Protección Contra Sobrecorriente SOBRECORRIENTE: cualquier corriente eléctrica que exceda el valor nominal de los equipos o de la capacidad de conducción de corriente de un conductor. La protección contra sobrecorriente es aquel dispositivo que actúa abriendo el circuito cuando la corriente eléctrica alcanza un valor tal que causase una temperatura excesiva o peligrosa en los conductores, o de su aislamiento, pudiendo provocar un incendio (Artículo 240, Apartados A-H, Norma NOM-001- SEDE Para proteger los circuitos contra sobrecorrientes (equipos y conductores) se utilizan fusibles, interruptores (termomagnéticos o electromagnéticos) y relevadores de sobre carga en el caso de los motores. En las ilustraciones 25, 26 y 27 puede apreciarse un ejemplo de cada uno de ellos. Ilustración 25. Interruptor termomagnético 45

46 Ilustración 26. Interruptor de cuchillas Ilustración 27. Relevador de Sobrecarga Retomando a Rodríguez y Aguirre (2011) una instalación eléctrica debe tener dos protecciones: Un interruptor de seguridad con fusibles como protección principal, próximo a la acometida y al equipo de medición Un centro de carga con interruptores termomagnéticos como protección a los circuitos derivados, que puede estar próximo al interruptor de seguridad o dentro de la casa-habitación. Para seleccionar el interruptor o fusible adecuado para las protecciones se debe tener en cuenta que el valor nominal de la corriente de la protección no debe exceder la el valor nominal de la corriente de la carga: (1) 46

47 Otro aspecto importante a considerarse es la llamada curva de operación para correcta coordinación de las protecciones (véase Curva 1, Apéndice C). La selección de la capacidad nominal de corriente eléctrica de fusible, interruptor de disparo fijo o interruptor de disparo ajustable debe realizarse de acuerdo a lo establecido en el articulo (incisos a, b y c) de la norma NOM-001-SEDE En la norma NOM-001-SEDE-2012 se puede encontrar las consideraciones necesarias para las corrientes eléctricas para la protección contra sobrecorriente con fusibles e interruptores de los circuitos siguientes: 1. Luminarios 2. Receptáculos 3. Motores 4. Transformadores 5. Tableros de alumbrados 6. Tableros de distribución 7. Centro de control de motores 2.5.-Puesta a Tierra En muchas de las ocasiones en las instalaciones eléctricas residenciales el tema de puesta tierra es pasado a segundo o hasta tercer término, en especial por aquellos técnicos o pseudo electricistas que no tienen idea de la importancia de dicha instalación, sin embargo este tema es tan extenso que se necesita el conocimiento de otros temas igualmente extenso para poder entender adecuadamente lo que es la puesta a tierra. La norma NOM-001-SEDE-2012 en el artículo 250 nos proporciona información muy útil acerca de la puesta a tierra Propósito puesta a tierra El propósito de una adecuada conexión de puesta a tierra es un factor determinante dentro de la instalación residencial para la seguridad humana y del equipo instalado. Los principales propósitos de puesta a tierra son los siguientes: a) Protección del personal operativo, autorizado o no autorizado b) Protección de equipos en caso de que se presentasen tensiones peligrosas c) Evitar una diferencia de potencial entre distintos puntos de la instalación, durante la falla a tierra; el circuito debe de tener baja impedancia para la circulación de estas corrientes. 47

48 Tipos de Sistemas de Tierra El elemento principal en una instalación puesta a tierra es el electrodo, éste se encuentra en contacto directo con el suelo y conductores que son los encargados de enlazar los electrodos a los elementos metálicos y los equipos expuestos a corrientes peligrosas. La resistencia total del sistema puesto a tierra debe conservar un valor muy bajo. El siguiente enlistado presenta lo tipos de instalaciones de puesta a tierra, para la correcta operación del sistema eléctrico. 1. Sistema de tierras para la electrónica.- Se utiliza para puesta a tierra de equipos de electrónicos y control. 2. Sistemas de puesta a tierra para fuerza.- utilizados para conectar elementos de una instalación expuestos a tensiones que puedan producir diferencias de potencial con tierra debido a fallas. 3. Sistema de tierras de pararrayos.- su función es la de drenar a tierra las sobrecorrientes producidas por descargas atmosféricas. 4. Sistemas de tierras para señales electromagnéticas.- el sistema está basado en la Jaula de Faraday. Esta jaula aísla al receptor de las fuentes radiacionales Elementos para el Diseño de Sistema de Tierras Los parámetros necesarios para el buen diseño de un sistema a tierras son los expuestos a continuación: a) Determinación de la corriente de cortocircuitos de falla a tierra. b) Ajuste de la corriente de falla. c) Diseño de malla propuesto. d) Cálculo de la selección del conductor. e) Cálculo del potencial tolerable. f) Cálculo del potencial de contacto o de malla. g) Cálculo de potencial de paso NOM-001-SEDE-2012 en Puesta a Tierra Para poder realizar de una forma correcta las conexiones puesta a tierra podemos encontrar en la norma NOM-001-SEDE-2012, específicamente en el artículo 250, información muy valiosa. Cuando se realizan instalaciones eléctricas el uso más frecuente de la puesta a tierra son las conexiones de equipos y estructuras metálicas con el sistema, por lo 48

49 que debemos tomar en cuenta los calibres requeridos para cada caso, así como el calibre del conductor que se conectará al electrodo puesto a tierra. Se puede encontrar en la NOM-001-SEDE-2012 en el artículo y el artículo , los calibres los cuales son requeridos para equipos y canalizaciones en función del dispositivo de protección puesta a tierra y de acuerdo al tamaño del mayor conductor de entrada a la cometida.(véase Tablas 1.3 y 1.4, Apéndice A) 49

50 Capítulo 3.- Elaboración del Prototipo Para poder alcanzar el objetivo esperado es menester monitorear y controlar tanto la instalación residencial correspondiente como el sensor de movimiento instalado dentro de la misma, por lo que se utilizará para dicha labor la tarjeta de datos NI- USB 6211 de 16 bits, de la que ya se habló previamente. Sin embargo, dicho monitoreo y control de la instalación residencial no puede ser realizado de una manera directa, no así con el sensor, por lo que se requiere atenuar las señales que se desean adquirir, ya que, como se mencionó previamente, la Tarjeta de adquisición de datos con la que se trabaja no debe ser conectada directamente a una fuente de tensión relativamente alta. Para controlar los circuitos de la instalación se presenta un problema parecido, se requiere de un método el cual nos permita des energizar o energizar los circuitos, sin que se tenga un contacto directo entre la tensión de la residencia con la tarjeta de adquisición. A continuación se puede observar en la ilustración 28 el circuito electrónico el cual se implemento para realizar la labor de atenuación de las señales de voltaje y corriente para la adquisición y control de la instalación eléctrica residencial. Ilustración 28.- Circuito de control y adquisición de señales 50

51 3.1.-La adquisición de las señales Cálculo para Adquisición de las Señales de Voltaje Como ya se mencionó, la tarjeta de adquisición de datos no está diseñada para adquirir de una manera directa las señales del sistema, por lo que se deben de atenuar las señales. El elemento eléctrico adecuado para acondicionar las señales para ser procesadas por el software, es el transformador, el cual es un dispositivo eléctrico que se encarga de reducir o aumentar el valor de voltaje al cual sea conectado, en este caso es necesario reducir los valores de voltaje, hasta el punto de obtener señales adecuadas para ingresarse a la tarjeta de adquisición. Existen diferentes valores comerciales para los transformadores de baja potencia. Para realizar este proyecto se utilizó un transformador de baja potencia con una relación de 127/9 y con una derivación central en el secundario de 4.5 volts, que se usará para trabajar con una fase y de la cual se harán derivaciones para los diferentes circuitos (ilustración 29), sin embargo el voltaje de 4.5 v del lado secundario del transformador no será la señal que se ingresará a la NI-USB-6211, ya que las señales de voltaje y las de corriente se adquirirán a la par y se estaría trabajando en un punto de capacidad critico para la tarjeta, para ello se reducirá aún más el voltaje con un arreglo de resistencias en serie conectadas en el lado secundario de nuestro transformador para crear una división de tensión. Ilustración 29. Transformador de baja potencia 51

52 A continuación se presenta el circuito eléctrico completo con el cual se pretende atenuar las señales de voltaje para adquirir y poder monitorear el voltaje de la fase del cual se derivarán todos nuestros circuitos en la ilustración 30. Ilustración 30. Circuito eléctrico "Atenuación de la señal de voltaje" En la figura anterior se puede apreciar claramente como se lleva a cabo la labor de acondicionamiento del voltaje, el circuito es relativamente muy sencillo. El número de resistencias utilizadas son siete y son de un valor alto, de 10kΩ, debido a que se desea obtener una señal pequeña de voltaje, por lo que tener una resistencia alta provocará un flujo de corriente muy pequeño y por ende la caída de tensión adquiriremos para el monitoreo será pequeña. La señal de voltaje que será medida será a través de la última resistencia con respecto al punto GND elegido. Se deben de realizar los cálculos correspondientes para poder obtener los valores reales que se presentarán en el circuito y verificar que sean valores adecuados para poder adquirirse las señales. El voltaje al que será conectado nuestro transformador en el lado primario (Vp) será al voltaje de la fuente (Vf) que es el mismo al voltaje nominal para el que fue diseñado. Sabiendo que la relación de transformación es 127/9 en la derivación externa de nuestro transformador y que se utilizará para la conexión al circuito la derivación central del transformador (Vsc) se puede obtener un voltaje en el secundario dividiendo nuestro valor de voltaje en los extremos entre dos. El arreglo de resistencias está conformado por 7 resistencias y cada uno tiene un valor de 10Ω por lo que la caída de tensión en cada resistencia (2) (3) 52

53 Se puede apreciar que el voltaje que se presentará en cada resistencia será relativamente bajo, por lo que será un voltaje adecuado para ser monitoreado por la NI-USB La corriente que fluirá a través de nuestro circuito de atenuación se encuentra a través de la Ley de Kirchhoff: Por lo tanto, despejando la corriente: (5) (4) (6) Cálculo para Adquisición de las Señales de Corriente Para poder adquirir las señales de corriente del sistema se procede de una forma un poco diferente al método utilizado para adquirir las señales de voltaje. Nuevamente las señales deberán ser atenuadas y se adquirirán a través de la tarjeta de adquisición de datos NI-USB La principal problemática de la adquisición de corriente es que no se puede adquirir de una manera directa a través de la NI-USB-6211, ya que está diseñada para adquirir solo señales de voltaje, por lo que se procede de una manera un poco diferente. El valor de la corriente que se presentará en el sistema estará dado por el valor de la carga que se está demandando, este valor de corriente, estará variando dependiendo de las cargas que sean conectadas al sistema, las instalaciones eléctricas se diseñan para cierto valor de corriente, el cual se determinará cuando se planee el proyecto, por lo que esa corriente puede ser tomada como la corriente máxima que demandara la instalación eléctrica residencial. La máquina eléctrica adecuada para reducir los niveles de corriente alterna de una línea es el transformador de corriente (TC s), por lo que se utilizará para este proyecto un TC por cada circuito instalado, para poder monitorear individualmente cada uno de ellos y obtener la mayor precisión posible. Se utilizaron transformadores de corriente tipo dona de baja potencia, cuya relación de transformación es de 30/1 A. De esta manera se obtiene una corriente más baja que la que se presenta en las líneas que alimentan las cargas 53

54 conectadas por circuito. Para transformar la señal de corriente en una señal de voltaje, se usó un grupo de cinco resistencias en paralelo de 1 Ω a una precisión de +/- 5% conectadas en el lado secundario en cuatro de los cinco transformador de corriente y un grupo de cuatro resistencias en paralelo de 1 Ω a una precisión de +/- 1% para el TC restante, de esta forma la corriente del secundario de cada transformador al paso por la resistencia equivalente de 0.2 Ω para los grupos de 5 resistencias y 0.03 Ω para el grupo de cuatro resistencias que provoca una caída de tensión, tal como lo enuncia la Ley de Ohm. Ilustración 31. Circuito eléctrico "atenuador de las señales de corriente" En el circuito se aprecia claramente todos los elementos utilizados y necesarios para la labor de atenuación de las señales de corriente eléctrica. La imagen nos muestra la fuente de voltaje (V) que se encargará de alimentar a cada uno de los circuitos (C1, C2, C3, C4 y C5) que se conectarán a las diferentes cargas (L1, L2, L3, L4 y L5), todos los circuitos cuentan con un transformador de corriente (TC1, TC2, TC3, TC4 y TC5) y en cada una de las terminales se conectan la serie de resistencias en paralelo. Al paso de una corriente a través de los transformadores de corriente (líneas de alimentación), se induce una corriente 30 veces menor en el lado secundario, la corriente del lado secundario del TC es la que pasará por la resistencia equivalente y provocará una caída de tensión, esta caída de tensión es una imagen fiel de la corriente que está fluyendo en el lado primario de los transformadores, estas caídas de voltaje serán las que leerá la tarjeta de 54

55 adquisición. Cabe mencionar que las señales que leerá la tarjeta serán de voltaje por lo tanto es compatible con las lecturas que realiza la tarjeta y se deberá hacer una conversión para obtener el valor de corriente real. Los transformadores de corriente utilizados tienen una relación de transformación de 30/1 A y operan a la misma frecuencia del sistema (60 Hz) mientras que para 4 de los circuitos se utilizaron resistencias de 1Ω de ¼ de Watt y una precisión de +/- 5% mientras que para uno de los circuitos se utilizaron resistencias de 0.1 Ω con una precisión de +/- 1%. A continuación se aprecia en la ilustración 32 los transformadores de corriente utilizados. Ilustración 32. Transformador de corriente tipo dona Para realizar un análisis del circuito, y considerando que es un sistema balanceado, se puede utilizar solo uno de los circuitos para aplicar el análisis con ayuda de técnicas de solución de circuitos y obtener los valores de voltaje y de corriente finales. Para comenzar con el análisis se debe de saber cuál será la carga que nos demandará el sistema, pero como ya se mencionó en una residencia la carga es variable, por lo que se utilizará para el análisis la corriente máxima para la que está diseñada el circuito, que en este caso serán 7 amperes. Como ya se estableció, dentro de nuestro circuito tomaremos el valor de corriente máximo para la que está diseñado para hacer el análisis de voltaje máximo que podría ingresar a la tarjeta de adquisición. Debido a la relación de voltaje que presenta el transformador de corriente (30/1) la corriente que se presentará en el lado secundario será de: (7) 55

56 La resistencia equivalente que conforman las 6 resistencias de 1Ω conectadas en paralelo es: = 0.2 Ω (8) Para el arreglo de 4 resistencias de 0.1Ω y 1 resistencia de 1 Ω de precisión +/- 1 % en paralelo la resistencia equivalente es: = 0.032Ω (9) Por lo tanto el voltaje eficaz que adquirirá la tarjeta para la resistencia equivalente de 0.2Ω será: Mientras que para la resistencia de 0.032Ω será: Los datos obtenidos tanto para la adquisición de señales de voltaje como para la adquisición de corriente son teóricos, por lo que se procederá con el ensamble de los dispositivos necesarios donde ya podremos obtener los valores reales que deben de ser muy parecidos a los obtenidos mediante los cálculos. (10) (11) Ensamble del Circuito de Adquisición Para poder verificar si los valores calculados están correctos, se necesita hacer pruebas en tiempo real y con circuitos físicos, lo que a su vez nos permitirá realmente adquirirlas señales requeridas para llevar a la monitorización. Primero que nada se necesita un lugar donde crear los circuitos electrónicos necesarios, que son los mismos que ya se analizaron anteriormente, estos circuitos pueden ser creados sobre dos plataformas diferentes: 1. Protoboard (tablilla para conexiones, ilustración 34, a). 2. Placa fenólica (ilustración 34, b). 56

57 Ilustración 33. Tablillas de conexiones para prototipos a) Protoboard b) Placa fenólica Protoboard: tablero con orificios conectados eléctricamente entre sí, habitualmente siguiendo patrones de líneas, en el cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para el armado de circuitos electrónicos y sistemas similares Placa fenólica: es una superficie constituida por caminos o pistas de material conductor laminadas sobre una base no conductora. Dependiendo del tipo de tablilla que se ocupe las conexiones se harán de una manera diferente, mientras que para un protoboard se hacen las conexiones mediante cables entre los dispositivos electrónicos que solo están sobre puestos a presión en él para crear el circuito. Para una placa fenólica no se utilizan cables para la conexión de circuitos ya que estos circuitos son creados sobre ella y los dispositivos estarán soldados. La placa fenólica se usa cuando se quiere tener un circuito de forma permanente mientras que el protoboard solo es para una conexión temporal. Crear un circuito electrónico en una placa fenólica lleva cierto proceso, este proceso es muy sencillo, para hacerlo son necesarios los siguientes elementos: a. Placa fenólica b. Circuito impreso c. Cloruro férrico d. Cautín e. Estaño El proceso de elaboración es muy simple y se puede realizar en pocos pasos: 1. Se lija ligeramente la placa fenólica para eliminar los rastros de suciedad. 2. Se impregna el circuito sobre la placa o se puede dibujar con un plumón indeleble. 3. Se introduce el circuito dentro del cloruro férrico, hasta eliminar el cobre que no forma parte del circuito. 4. Se lija nuevamente para eliminar la tinta del circuito. 57

58 5. Se perfora cuidadosamente en los lugares correspondientes a los dispositivos electrónicos. 6. Se sueldan los dispositivos electrónicos. En este proyecto se utilizó una placa fenólica para realizar todos los circuitos electrónicos. Como ya se dijo se debe de diseñar el circuito que será necesario para ser impreso sobre la placa fenólica. El circuito necesario para la adquisición de datos será el de nuestra placa fenólica, sin embargo a los circuitos hay que hacerles pequeñas modificaciones para evitar contacto entre pistas y así evitar un cortocircuito. A continuación se presenta la imagen de el circuito real (diseñado por computadora) que será el que se dibujará sobre nuestra placa: VDC I ac 1 I ac 2 I ac 3 I ac 4 + GND GND GND GND GND VDC-1 VDC-2 VDC-3 GN VDC-4 D VDC-5 I ac 5 Ilustración 34. Circuito real de adquisición de señales VDC-6 Se pueden apreciar en la imagen los 4 arreglos de resistencias conectadas en paralelo al cual entraran las señales de los TC s (Iac1-Iac5), así como el arreglo en serie de resistencias (parte superior) que recibirá las señales del TP (4.5 VDC). En la parte derecha de la imagen se aprecian las salidas de cada uno de los arreglos que entrarán a la NI-USB-6211 (VDC1-VDC2) así como el punto común entre ellos (GND) 58

59 Una vez que ya tenemos nuestro circuito se procede a pasarlo a nuestra placa fenólica realizando todo el proceso de impresión de circuitos. La ilustración 36 nos muestra el circuito hecho en la placa fenólica. Ilustración 35. Circuito de adquisición en placa fenólica En la ilustración anterior se puede apreciar que nuestro circuito, el cual utilizaremos, es exactamente igual al diseñado por computadora Una vez realizado el circuito se deberán colocar los dispositivos electrónicos necesarios para el proceso de adquisición de las señales de corriente (resistencias), estos se soldarán a los lugares que les corresponda en la placa fenólica lo que nos dará como resultado la ilustración

60 Ilustración 36. Circuito físico para la adquisición de datos En la imagen anterior podemos apreciar como se ve físicamente nuestro circuito una vez que ya se le fueron instalados los dispositivos necesarios. Gracias a este circuito nos será posible atenuar las señales de corriente para realizar el monitoreo con la ayuda de la tarjeta de adquisición NI-USB Conexión a la Tarjeta de Adquisición Como ya se trató en capítulos anteriores la tarjeta de adquisición de datos NI- USB-6211 cuenta con 16 pines para entradas de señales analógicas (AI0-AI16) y 2 pines para generación de señales igualmente analógicas (AO0y AO1), las entradas analógicas tienen su punto en común conocido como AI GND al igual que las salidas analógicas (AO GND). [5] Para la conexión de entrada de señales analógicas a la tarjeta de adquisición se pueden tomar diferentes opciones. 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. Para mediciones con referencia común (RSE, referenced single-ended), en ésta sí existe un punto común entre la señal exterior y la NI-PGIA, donde se comparte la misma referencia (tierra analógica). En la tercera conexión, entre la señal de entrada 60

61 analógica y la PGIA no existe referencia común, sin referencia (NRSE, nonreferenced single-ended). [3] Por motivos prácticos se eligió tomar una conexión con referencia común (RSE), ya que esta nos da la posibilidad de un mayor número de conexiones posibles. En la ilustración 37 se muestra cuales terminales fueron utilizadas para la adquisición de los datos de corriente (I1-I5) y de voltaje (Vf). Ilustración 37. Conexión a la tarjeta de adquisición I1 V f5 AI GND I2 I3 I4 I5 61

62 3.2.-Control ON/OFF Para Circuitos Para poder llevar a cabo el control de encendido/apagado de los circuitos de una instalación residencial, se debe primeramente realizar la programación correspondiente para poder ejecutar el control en el momento deseado o adecuado (en el caso de cortocircuito-off), dentro del software que nos permitirá realizar dichas acciones. La información del software será enviada a través de la tarjeta de adquisición de datos, la cual nos enviarán señales digitales que se enviarán a nuestro circuito electrónico diseñado para abrir o cerrar los circuitos a través de relevadores, los cuales funcionan como interruptores. Cuando la señal se envía hacia los relevadores, éstos se energizarán lo que dará paso a la corriente eléctrica, que será de la magnitud que demande la carga En la hoja de características de la tarjeta de adquisición de datos NI-USB-6211, especifica que está diseñada para trabajar a un voltaje máximo de 10 Vac, mientras que se sabe que la mayoría de las instalaciones residenciales trabajan en un voltaje 120 Vac 127 Vac, esto nos presenta un problema muy grande, por lo tanto se debe de crear un circuito electrónico el cual nos permita interactuar las salidas digitales que requiere nuestra tarjeta de adquisición y las señales analógicas de 127Vac que la residencia maneja. Una excelente forma para controlar potencias relativamente altas con salidas digitales de baja muy potencia es mediante la implementación una interface de relevadores. En el trabajo Control automático de un motor trifásico de inducción jaula de ardilla (Del rosario, 2010) se explica un modelo de esta interface de relevador, este modelo cuenta con un optoacoplador 4n25 para aislar ópticamente la salida digital de la tarjeta de adquisición de datos, cuenta con dos transistores Tip41C operando en corte y saturación que actúan como interruptores y finalmente un relevador de control RASJ. [11] En este caso dentro de una instalación residencial pueden existir motores, bombas, etc, y las cargas que presentan los circuitos dentro de los circuitos es bastante similar a la carga de motores pequeños, por lo tanto este método es muy adecuado para controlar los circuitos eléctricos. A continuación en la ilustración 38 se puede apreciar el circuito necesario para la interacción software- residencia. 62

63 Ilustración 38. Circuito de interacción ON/OFF de los circuitos Cuando se desea encender nuestro circuito se deberá enviar una señal digital (5 Vdc) a través de la tarjeta de adquisición de datos la cual se manda a través de una resistencia (para limitar la corriente) hacia el optoacoplador, el cual se encuentra con un valor de resistencia excesivamente grande la cual no permite el paso de corriente, pero cuando se recibe la señal digital, la resistencia que presenta, baja abruptamente (se activa) lo que permite que entre en función la fuente de 12 volts, que es la encargada de energizar la bobina del relevador, el cual permite el paso de la corriente a través de él y por lo tanto cierra el circuito. Este circuito electrónico solo puede controlar un solo circuito eléctrico, por lo tanto entre mayor sea el número de circuitos eléctricos dentro de la instalación se necesitara un mayor número de circuitos electrónicos Ensamble Circuito Interacción ON/OFF Cuando se desea crear un circuito electrónico físico sobre una placa fenólica, éste debe de realizarse de una manera diferente al circuito eléctrico creado mediante algún software, esto es debido a que en los circuitos creados mediante software se aprecian la líneas que unen a los distintos dispositivos traslaparse, cosa que en la realidad no es conveniente, ya que esto provocaría cortocircuitos, por lo que se debe de diseñar un circuito que mantenga exactamente la misma estructura lógica (topología de las redes) pero evitando el cruce entre ellas. A continuación se muestra la imagen de nuestro circuito electrónico ya modificado y en el cual ya fueron añadidos los demás circuitos, los cuales nos permitirán controlar todos los circuitos para el cual fue diseñada nuestra programación (cinco circuitos). 63

64 In 1, 2, 3, 4 y 5 Out 1, 2, 3, 4 y VDC VCD - 5 VCD Ilustración 39.-Circuito real para la interacción ON/OFF. En la parte superior izquierda las líneas nos muestran los puntos por donde entrarán las corrientes de nuestros circuitos a través de los distintos relevadores (In 1-5), mientras que en la parte derecha de la imagen se nos muestra por donde será la salida una vez que el relevador cambie de normalmente abierto a normalmente cerrado (Out 1-5), ésta será la corriente de nuestro circuito que se encuentra a 120 Vca. Las líneas de la parte inferior izquierda nos presentan las entradas por donde se mandará nuestra señal digital de 5 Vdc de la tarjeta de adquisición de datos para activar los optoacopladores, que a su vez activará los relevadores con la fuente de 12 Vdc la cual debe de conectarse donde nos indica en el centro de la parte izquierda. Ilustración 40. Circuito de interacción ON/OFF sobre placa fenólica 64

65 En la ilustración 40 observamos el circuito, una vez pasado a nuestra placa fenólica, tal cual como se diseño previamente, se pueden notar como no existe ningún contacto entre las pistas, así como, los espacios donde se deberán ser soldados los dispositivos electrónicos (resistencias, optoacopladores transistores, diodos y relevadores). Ilustración 41. Circuito físico de interacción ON/OFF La disposición final que toma nuestro circuito encargado de controlar el encendido/apagado es el mostrado en la ilustración 41, se aprecian los dispositivos ensamblados, así como, las terminales (conductores de colores) de entrada y salida de señales digitales y analógicas Conexión a la Tarjeta de Adquisición La tarjeta de adquisición de datos NI-USB-6211 cuenta con cuatro salidas del tipo digital, como con cuatro entradas igualmente digitales, las cuales se denominan como PFI 0/ P0.0 (in) PFI 3/ P0.3 (in) y PFI 4/ P1.0 (in) PFI 7/ P1.3 respectivamente, las cuales cuentan con su propia entrada D GND como punto común. Para el proyecto se necesitan de 5 salidas digitales, por lo que una sola tarjeta no es suficiente para realizarlo, sin embargo, en el laboratorio de máquinas eléctricas de la Facultad de Mecánica y Eléctrica de la universidad Veracruzana se cuentan con 2 tarjetas de adquisición de este tipo, por lo que la salida digital extra que se requiere será tomada de la otra tarjeta con la que se cuenta. Las conexiones que utilizamos las llamaremos D1, D2, D3, D4 y D5. 65

66 Ilustración 42.-Conexión a tarjeta de Adquisición de datos (DAQ-1 y DAQ-2) D GND D3 D2 D4 D1 D5 66

67 3.3.-El Sensor de Vigilancia El objetivo de nuestro sensor es obtener una señal en el momento programado para enviar las señales necesarias a nuestra tarjeta de adquisición en un instante dado. El sensor va a ser nuestro dispositivo con el cual lograremos conectar el entorno real de la casa con nuestra programación, la cual a su vez interactuará a la señal del sensor con la cámara USB. Para enviar señales del entorno a nuestra tarjeta de adquisición se puede utilizar diferentes tipos de sensores, para que la programación realice diferentes acciones, según las diferentes señales enviadas por los sensores. En el caso de este proyecto el objetivo principal vigilar la residencia con el objetivo de detectar intrusos dentro de la misma, por lo que es necesario un sensor el cual nos ayude a realizar esta labor. Los sensores de movimiento, sin lugar a duda, son los más adecuados para este trabajo, existen varios tipos de sensores de movimiento los cuales puede utilizarse. Estos sensores se pueden adquirir en diferentes tiendas de electrónica, así como también, se pueden fabricar los sensores con distintos elementos electrónicos. Cuando se opta por fabricar los sensores existen circuitos electrónicos que se pueden hacer desde unos muy sencillos hasta otros más complejos. Para este proyecto se decidió elaborar un sensor de luz infrarrojo, esto debido tanto a la simplicidad de su fabricación como al bajo costo que presenta elaborarlo. En la ilustración 43 se puede apreciar la simplicidad del circuito. Ilustración 43. Circuito sensor con fotodiodo y fototransistor 67

68 En la ilustración 43 se puede apreciar que el fotodiodo (emisor) va a ser alimentado con una fuente de 5 Vcd, a través de una resistencia la cual causará una caída de tensión para que nuestro fotodiodo trabaje a un voltaje adecuado cerrando el circuito, conectándolo al polo negativo. Al igual que el fotodiodo, el fototransistor será alimentado con un voltaje de 5 Vcd, que después será conectado a una resistencia la cual se conectará al polo negativo de la fuente. El fototransistor funciona como un interruptor, el cual está cerrado cuando recibe directamente la luz infrarroja que emite el fotodiodo, y abierto cuando no percibe dicha luz infrarroja. Tal funcionamiento nos permitirá recibir o no señales del sensor dependiendo del estado en el que se encuentre (cerrado o abierto). Cabe mencionar que el fotodiodo deberá estar en una dirección directa al fototransistor, lo que limita la función de dicho sensor, por lo que este tipo de sensor es adecuado para ser aplicado en puertas y ventanas, permitiéndonos saber si una puerta o ventana se encuentra abierta o cerrada. Ilustración 44. Fototransistor y fotodiodo En la ilustración 44 se aprecia la forma física tanto del fotodiodo como del fototransistor, el transmisor es de un color claro mientras que el receptor es de un color negro. El fotodiodo se conecta de forma similar a los led s (patita larga al positivo) mientras que el fototransistor se conecta de una forma inversa (patita larga negativo) Creación del Sensor Para poder realizar nuestro sensor es menester contar con los siguientes elementos: Diodo emisor de luz (LED) infrarrojo. (IR383)Fototransistor (PT1302B/C2). Resistencias (120Ω, 2.5k Ω). 68

69 Fuente de alimentación 5 Vcd. Experimentador (Protoboard) o placa fenólica. Una vez que contamos con todos los elementos, se prosigue con la creación del circuito que se utilizará. La ilustración 45 muestra el circuito real que se utilizará para ser impreso en la placa fenólica creado en un programa de computadora llamado PCB wizard. Ilustración 45. Circuito sensor real Una vez que ya tenemos nuestro circuito, cuidando que no se cruce ninguna línea para evitar cortocircuitos, se continúa con la implementación del circuito en la placa fenólica, y una vez hecho se colocan los dispositivos electrónicos en los lugares que les corresponde. La ilustración 46 muestra como queda el sensor después de ser ensamblado en la placa fenólica, de nuestro proyecto. Ilustración 46. Sensor de luz Infrarroja FOTODIO DO FOTOTRANSISTOR 69

70 CAPÍTULO 4.- Manipulación del Circuito Eléctrico Residencial a través de LabVIEW 4.1.-Interfaz de Usuario A través de la interfaz gráfica de LabVIEW, así como la de todo software existente de este tipo (los llamados sistema SCADA), el operador controla y supervisa toda la instalación, dicha interfaz está diseñada para ser amigable a la vista, así como de fácil manipulación, los datos deben ser presentados al operador de una manera clara y precisa, no deben existir posibilidades de ambigüedades o errores. A continuación se puede apreciar la imagen del interfaz grafico de este proyecto. Ilustración 47. Interfaz grafico de usuario En el interfaz gráfico podemos apreciar de forma visual tanto los elementos controladores como los elementos indicadores, los cuales nos estarán mostrando la información recabada en tiempo real. Ilustración 48. Control manual 70

71 CONTROL MANUAL.- Este control, el cual se puede apreciar en la ilustración 48, lo podemos seleccionar en un recuadro con pestañas en el cual se encuentran los diferentes tipos de controles disponibles para nuestra instalación. Con el control manual podemos energizar o desenergizar los circuitos del sistema, uno para cada circuito que se visualizan como botones dentro de la pestaña seleccionada para el control manual. Ilustración 49. Control automático CONTROL AUTOMATICO.- Este control lo podemos encontrar en el mismo recuadro en el cual se encuentra el control manual, con la excepción de que se encuentra ubicado en otra pestaña dentro del mismo recuadro. El control automático no cuenta con botones para llevar a cabo la función de energizar o desenergizar circuitos, sin embargo en esta pestaña encontramos unos controles de tiempo, en los cuales se deben de ingresar la fecha y hora tanto de encendido como de apagado de los circuitos, aquí se encuentran diez de estos controles, dos por cada uno de los circuitos que se están manipulando, como se aprecia en la ilustración 49. Ilustración 50. Indicadores LED INIDICADORES TIPO LED.- Estos indicadores se encuentra ubicados exactamente en la parte inferior del recuadro de pestañas, al igual que los controles de tiempo nos encontramos con diez de estos indicadores, cinco de ellos de color rojo y los otros cinco de color verde (un par por cada circuito). Los led s verdes nos indicarán si el circuito se encuentra en funcionamiento mientras que los led s rojos nos dará la indicación de un problema de sobrecorriente cuando se encienda. Se puede apreciar lo descrito anteriormente en la ilustración

72 Ilustración 51. Indicador visual de imágenes en tiempo real INDICADOR VISUAL.- Este indicador lo encontramos en la parte superior izquierda de nuestra interfaz de usuario, en ella se puede apreciar la imagen del lugar donde se encuentra instalada nuestra cámara, esta solo empezará a desplegar imágenes cuando sea activada con un sensor externo al programa y se activemos el control boleano Enable, ya que esté no solo se encarga de observar imágenes en tiempo real, sino de guardar un video del tiempo que se mantuvo encendido, por lo cual no puede estar encendido en todo momento. También cuenta con un led que nos indica cuando se enciende el video y un control de ruta de archivo para darle un lugar al archivo de video. La ilustración 51 nos muestra la manera en que se aprecia dicho indicador Ilustración 52. Gráficos en forma de onda Los gráficos en forma de onda que se aprecian en la ilustración 52, los podemos encontrar ubicados dentro de nuestro panel frontal en la parte inferior izquierda para los gráficos de corriente y en la parte inferior derecha para los gráficos de voltaje. Los dos tipos de señales que son mostradas a través de los gráficos se 72

73 encuentran dentro de otro folder, en cada pestaña del folder se podrá visualizar la corriente de cada uno de los circuitos, así como se pueden visualizar los voltajes de cada circuito. Ilustración 53. Indicadores numéricos de las características eléctricas CARACTERÍSTICAS ELECTRICAS.- Los indicadores numéricos muestran las características de valor eficaz de voltaje y corriente además del grado de desfasamiento de cada uno de las señales que se encuentran monitoreando, así como los valores de potencia tanto real como reactiva total y el factor de potencia que nos entrega el sistema. Los indicadores se encuentran dentro de los controles tipo Folder, cada uno de ellos se encuentran en la pestaña correspondiente según sean valores de voltaje, corriente y su circuito correspondiente. Ilustración 54. Energía y potencia eléctrica POTENCIA ELECTRICA.- Los indicadores del tipo medidor de aguja son los responsables de desplegarnos de forma visual, así como, mostrarnos de manera numérica, a través de los indicadores que se encuentran en la parte inferior, tanto la potencia real como la potencia reactiva que se está consumiendo dentro de nuestra instalación. En el centro se puede apreciar otro indicador más, este es el responsable de mostrarnos el valor del Factor de Potencia de nuestra instalación. La ilustración 54 nos muestra dichos indicadores. 73

74 4.2.-Programación Principal EL programa principal es aquel programa maestro el cual contiene las diferentes funciones y subprogramas los cuales son conocidos como subvi. Dicho programa está coordinado de tal manera lógica para llevar a cabo el proceso de monitorear, controlar y proteger los circuitos, así como también, lleva a cabo el proceso de vigilancia de la unidad de vivienda, local, empresa, etc. Este programa lo localizamos dentro de un ciclo while, de acuerdo a la programación en labview, para que nuestro programa sea ejecutado de una manera continua, este solo va a ser detenido cuando se pulse el botón stop el cual se encuentra enlazado al ciclo while para detenerlo junto a todos los programas secundarios que ahí se encuentran. En la siguiente ilustración 55 podemos observar dicha programación. Ilustración 55.Programación principal En esta imagen se puede apreciar el diagrama de bloques que la cual es una de las ventanas de labview en el cual está estructurado en un lenguaje de programación gráfico (Lenguaje G). En éste, se puede apreciar tanto las funciones como los subvis utilizados para lograr dicha programación, éstos están representados como cuadros o bloques lo cuales están unidos mediante líneas o cables por los cuales interactúan entre si dichos bloques, por lo tanto, la unión entre bloques nos va a ocasionar la lógica que deseamos lograr en nuestra programación. Se dará, de manera breve, una explicación general de tal programación, ya que posteriormente tendremos una explicación más detallada de las partes las cuales conforman dicho programa. 74

75 La programación empieza en la parte izquierda del diagrama de bloque, inicia con un sub VI llamado DAQ assistent, éste se encuentra dentro de los llamados VI express, ya que este es un subvi que ya viene realizado por default en LabVIEW en la paleta de funcione>express>input>daq Assistent. Este VI express se encarga de obtener la(s) señal(es) proveniente(s) de la tarjeta de adquisición de datos, esta(s) señal(es) vienen de la DAQ assistent agrupadas en una sola línea o cable, la cual se conecta a una función llamada Split signal, la cual despliega de la línea todas las señales que se están obteniendo para poder trabajarlas por separado en nuestro programa. Después de desplegar las señales por separado encontramos el primer subvi el cual llamaremos filtro, este VI se encarga de mostrarnos la medición real que estamos obteniendo de nuestros circuitos a través de la tarjeta de adquisición NI- USB-6211, dichas señales las podemos observar en el panel frontal o, el también llamado, interfaz gráfica, en donde observamos en forma de gráfica el comportamiento de las señales de corriente y voltaje. Como utilizamos TC s, en éstos se queda un flujo remanente, que provocara cierta señal de corriente, aún cuando el circuito se encuentra apagado lo que realidad no es verdadero. Se puede observar en la ilustración 57 el icono que utilizaremos para identificar este subvi. Ilustración 56. Sub VI "Filtro" Después se encuentra enlazado el VI al cual llamamos características en el que se pueden observar entradas tanto de las señales de corriente como de voltajes, ya que se encarga de desglosar las características de valores RMS y la fase en grados de cada señal de entrada, que nos ayudaran a calcular la energía o potencia en el sistema. Estas características se nos muestran como indicadores numéricos en nuestra interfaz gráfica. A continuación mostramos la ilustración (57) del icono el cual utilizamos para identificar dicho VI. 75

76 Ilustración 57. Sub VI "Características" Se finaliza el monitoreo con el subvi Energías. A este le llegan mediante las líneas las señales del sub VI características y se encarga de calcular la potencia o energía que se está consumiendo en los circuitos del sistema, para posteriormente calcular tanto la potencia real como la potencia reactiva del sistema, así como el factor de potencia. La energía podemos observarla en la interfaz tanto como indicador numérico como gráficamente (medidores), al igual el factor de potencia. La ilustración 58 es la que se encarga identificar al icono para dicho subvi el cual se presenta a continuación. Ilustración 58. Sub VI "Energías" En nuestra programación también encontramos el subvi llamado control on-off. Éste se encarga de energizar o desenergizar de manera manual o automática los circuitos de nuestro sistema, las señales de entrada a este subvi, serán los botones para el modo manual o el llamado time stamp control en el cual ajustaremos la fecha y horario, tanto, de encendido como de apagado de los circuitos en el modo automático. La señal relacionada al encendido o apagado del subvi se envía al siguiente subvi para seguir con la programación. El icono del sub VI se muestra en la ilustración

77 Ilustración 59.- Sub VI "Control ON/OFF" A la derecha de la programación nos encontramos con el subvi interruptorfusible, dicho subvi nos permite proteger nuestra circuito o instalación contra corrientes de cortocircuito, ya que a cierto nivel de corriente apaga el circuito y en el interfaz gráfica nos muestra mediante led s boleanos si el circuito está encendido, apagado o se detuvo debido a una sobrecorriente. Éste recibe la señal tanto del subvi anterior (control on-off) como de las variables locales de las corrientes de entrada correspondientes. Las señales de este subvi se dirigen mediante un arreglo al DAQ assistent, el cual manda señales digitales a nuestros relevadores para realizar la acción indicada. El icono del subvi se muestra a continuación a través de la ilustración 60. Ilustración 60. SubVI "Fusible" Cabe mencionar un pequeño programa dentro del programa principal que se puede observar en la parte inferior izquierda. Este programa es el encargado de la seguridad de la residencia, local, etc., en él se encuentra la cámara de video la cual está programada para realizar la labor de grabar videos cuando se reciba una señal de un sensor colocado estratégicamente dentro de la resistencia que nos mandará la señal a través del DAQ Assistent, el cual también activará el subvi 77

78 que se mencionara a continuación. La siguiente imagen (ilustración 61) nos presenta nuestro programa de seguridad. Ilustración 61. Programación de seguridad En la parte de seguridad se encuentra el subvi . Éste va a hacer la labor de mandar un correo electrónico al usuario en el momento para el cual esté preestablecido. La idea es mandar dicho correo al usuario cuando la cámara se active, lo cual nos indica que algo extraño está pasando en la residencia, y junto con la cámara, evitar a personas no deseadas en la residencia. El icono de este subvi lo podemos apreciar en la ilustración 62. Ilustración 62. Sub VI "Correo" 78

79 4.3.-Lenguaje G de la Monitorización La programación del monitoreo se puede observar en la mitad de la parte izquierda de nuestro VI, específicamente lo llevan a cabo los subvi s Filtro, Características y Energías, éstos son los encargados de mostrarnos en tiempo real lo que está pasando en nuestro sistema en forma de gráficas y valores numéricos en el panel frontal. A continuación se mostrará en la ilustración la programación del monitoreo (parte izquierda). Ilustración 63. Primera parte de programación "Monitoreo" El cable procedente del VI express DAQ Assistent tiene, en ella agrupadas, en un arreglo todas las señales, tanto de las cinco señales de corriente, como, las cinco señales de voltaje. La señal proveniente se enlaza al Split signal, la cual se encarga de separar las señales para poder manipularlas adecuadamente, las primeras cinco señales son las de corriente I1, I2, I3, I4, y I5, y las cinco restantes son las señales de voltaje V1, V2, V3, V4 y V5. Después las señales de corriente son enviadas a nuestro primer sub VI llamado Filtro, mientras que las líneas restantes son directamente multiplicadas por el factor de corrección, para obtener los valores que se están midiendo realmente; para enseguida pasar al siguiente sub VI correspondiente llamado Características. A continuación en la ilustración 64 se puede observar el panel frontal y el diagrama de bloques del sub VI Filtro. 79

80 Ilustración 64. Programación "Filtro" Cuando los motores están apagados y no hay flujo de corriente por los cables de las líneas, el programa registra una pequeña caída de tensión en las resistencias del lado secundario de los transformadores de corriente. Éstas pequeñas caídas de tensión se deben al flujo residual en los núcleos de hierro laminado de los transformadores de corriente, y aunque no son corriente en las líneas, el programa las interpreta como corrientes. Para evitar este problema, se implementó este subvi, el cual se encarga de ignorar ese pequeño flujo que se presenta en las señales de corriente cuando nuestro circuito está desenergizado. EL funcionamiento de este subvi lleva a cabo gracias a nuestra programación lógica, en éste contamos en nuestro panel frontal con cinco controles waveform ; los cuales hemos llamado de acuerdo a cada circuito al cual controla cada uno de ellos: circuito 1, 2, 3, 4 y 5. Éstos controles reciben las señales de corriente provenientes del Split signal. En nuestra programación se puede apreciar 80

81 que se obtiene individualmente los valores eficaces de cada una de las señales de corriente, a través de una de las funciones que nos proporciona labview llamada Amplitude and evel Measurements, después a la señal resultante, mediante una función comparativa y una case structure, se le da la condición de que: si la señal está por debajo de un valor dentro del rango nos simule una señal en el circuito de cero, mientras que cuando esto no se cumpla deje pasar nuestra señal tal cual esta proveniente desde la DAQ Assistent, los TC s presentan cierto flujo remanente aun cuando el sistema este desenergizado, por lo que es necesario este subvi, para evitar lecturas erróneas en el sistema.las señales de salidas están dadas por las cinco waveform graph. El objetivo de este subvi es tener el mínimo de error en nuestras mediciones de potencia en los circuitos y así no detectar corrientes cuando éstas en realidad no están presentes. Después de pasar a través del filtro, cada una de las señales de corriente y voltaje, son multiplicadas por el factor de corrección correspondiente a cada una de ellas, para así después pasar a ser mostradas en nuestro interfaz gráfico principal mediante gráficas. El factor de corrección correspondiente a las señales de corrientes fue obtenido, previamente, mediante pruebas con la relación de transformación de cada TC, mientras que los factores de corrección de los voltajes debido a la relación de transformación de los TP son multiplicadas por las señales de voltajes provenientes de las últimas cinco líneas provenientes de la DAQ Assistent. Los valores obtenidos para los factores de corrección de las señales de corriente fueron: I1= , I2= , I3=161.85, I4= y I5= Mientras que los factores de corrección correspondientes a las señales de voltaje son: V1=167.43, V2=167.43, V3=167.43, V4= y V5=167.43, de corriente y voltaje respectivamente. El siguiente subvi (ilustración 65) al que van a enlazarse nuestras señales de corriente y de voltaje es el subvi llamado características. Éste es llamado así ya que se encarga de desglosarnos las características de cada una de las señales que ingresen en dicho VI. 81

82 Ilustración 65. Programación "Características" Nuevamente tenemos como señal de entrada los controles Waveform, los cuales podemos apreciar en el panel frontal. Para poder obtener las características que deseamos, utilizamos las funciones Tone Measurement y nuevamente Amplitude and Level Measurement, a ellas enlazaremos nuestra entradas, dichas funciones las podemos encontrar en el panel frontal, Function > Express > Signal analysis. La primera de ellas se encargará de desglosarnos tanto la frecuencia como la fase a la que está operando la señal que está entrando en ella, mientras que la segunda función se encarga de mostrarnos el valor efectivo de dicha señal. Estos valores los podemos observar de forma numérica en nuestro panel frontal. Después de obtener dichas características de corriente y voltaje a través de algunas funciones numéricas se obtiene mediante multiplicaciones, divisiones y restas los valores de entrada para las funciones de fórmula (Function > Express > Arithmetic and Comparison). En esta función vamos a ingresar la fórmula necesaria de acuerdo a los valores de entrada (voltaje y corriente) para poder 82

83 obtener tanto la potencia real como la potencia reactiva de cada uno de los circuitos. Las salidas de la función Fórmula serán enviadas a nuestros indicadores Gauge o medidores, para apreciar de forma visual en nuestro panel frontal el comportamiento de cada circuito. Cabe mencionar que este subvi está dividido en dos sub VI s, la razón es sencilla. LabVIEW nos da una restricción con cada subvi que se crea sin importar que tipo de VI sea, ésta nos restringe el número total de salidas y entradas que podemos enlazar a dichos subvi, solo se puede utilizar un número máximo de 28 terminales, mientras que nosotros para todas nuestras entradas y salidas, para el subvi características necesitamos un número mayor de terminales, es por esta razón que nuestro subvi lo mostramos en dos partes, dichos subvi son visualmente idénticos, con la mínimo detalle de su enumeración como 1 y 2. Para finalizar nuestro monitoreo y llegar al objetivo principal de éste, que es obtener la energía total del sistema, utilizamos nuestro subvi Energías. Las señales de entrada en ella serán las señales de salidas de potencia por circuito correspondientes al subvi Características. En la ilustración 66 podemos observar nuestra programación para dicho VI. Ilustración 66. Programación "Energías" Como se puede observar, la programación de este VI es muy sencilla, en ella se puede apreciar como señales de entrada controles del tipo numérico, que son los procedentes del subvi anterior, son enlazados a una función Formula la cual nos va a hacer la labor de sumar la tanto las potencias reales como reactivas de cada uno de nuestros circuitos, para así, poder obtener lo que realmente deseamos saber que sería: la potencia total consumida del sistema. 83

84 Después de obtener los valores de las potencias, se procede a obtener el factor de potencia, esto se logra con una serie de funciones Fórmula, a las cuales se les enlazarán, como entradas, las salidas de las fórmulas anteriores. Éstas mediante una combinación de ecuaciones logran obtener dicho valor, las señales de potencia las podemos visualizar mediante indicadores del tipo Gauge mientras que el factor de potencia se observa en un indicador numérico en nuestro interfaz gráfico. Durante nuestra programación de monitoreo y en nuestros diferentes subvi s se utilizaron diferentes funciones y VI s pre establecidos en labview, los cuales se explicarán a continuación: En nuestros dos primeros subvi s Filtro y Característica se utilizó el VI express Amplitude and Level Measurements este es el encargado de obtener el valor eficaz o valor RMS que matemáticamente se expresa: Cabe destacar que el VI express Amplitude and Level Measurement, no realiza el cálculo sólo una vez, sino que lo realiza de manera continua con cada iteración del ciclo while del programa principal, esto es, miles de veces por segundo. Otro VI express que se utilizó fue el llamado Tone Measurements, este VI fue utilizado en nuestro subvi Características, este se encarga de obtener el ángulo de fase en cada iteración del ciclo, de los conocimientos de electricidad y de la frecuencia eléctrica se sabe que se recorrerán 360 sesenta veces en un segundo, por lo tanto resulta impráctico mostrar estos valores en la interface gráfica, pero estos valores son necesarios para obtener un dato aún más importante, el ángulo entre el voltaje y la corriente que se define de la siguiente manera: Este ángulo de desfasamiento entre voltaje y corriente aparece dentro de nuestro subvi Característica donde se muestra de forma individual (por circuito. Este ángulo de desfasamiento obtenido nos va a servir para posteriormente poder calcular el factor de potencia dado por la fórmula: Para utilizar el ángulo obtenido ahora utilizamos la función Formula, ésta utiliza una interfaz de calculadora para crear fórmulas matemáticas. Se puede utilizar este VI Express para realizar la mayoría de las funciones matemáticas que una (12) (13) (14) 84

85 calculadora científica básica puede calcular. Ésta es utilizada en los subvi s Energías y Características. En el subvi Características se utilizan dos funciones Formula una de ellas para la obtención de la potencia real y la otra para obtener la potencia reactiva. Para obtener la potencia real y la potencia reactiva ingresamos en la función las fórmulas matemáticas: En esta función utilizamos el grado de desfasamiento que encontramos previamente, con la excepción de que el ángulo de funciones trigonométricas aceptada en labview es solo en radianes, por lo que previamente se debe de hacer una conversión de grados a radianes, para poder obtener los valores correctos. La conversión está dada por la siguiente expresión: En el siguiente subvi Energías para obtener la potencia real total y la potencia total reactiva del sistema utilizamos la función Formula de una manera muy sencilla, en ella solo hacemos la suma de cada uno de los circuitos para obtener el total: Posteriormente se prosigue a encontrar el valor numérico del factor de potencia, para esto podemos utilizar el llamado triángulo de potencias, en el cual utilizamos los valores de potencia compleja, real y reactiva, el ángulo que se presenta en dicho triangulo será nuestro ángulo de factor de potencia, por lo tanto, por métodos trigonométricos podemos encontrar el valor que buscamos: (17) (15) (16) (20) (18) (19) Por lo tanto, nuestra función para obtener nuestro factor de potencia será: (21) 85

86 La Programación de Control La programación de control lo podemos lograr de dos maneras las cuales son bastante útiles hoy en día. Estas dos formas de llevarlo a cabo son, el control manual, en el cual nosotros deberemos presionar o activar un botón virtual dentro de nuestro interfaz gráfico para lograr energizar o desenergizar los circuitos del sistema y un control automático, mediante el cual nosotros podemos como su nombre lo indica programar nuestros circuitos para que de manera automática logremos el encendido o apagado de circuitos con solo indicar la fecha y la hora. En la ilustración 67 podemos apreciar la parte del programa corresponde a nuestra programación de control el cual se encuentra en la segunda parte de nuestro programa principal. Ilustración 67. Lenguaje G para el control En este segmento del programa se puede apreciar nuestro subvi principal control on-off dentro de la programación de control. Este subvi va a hacer la labor de enviar las señales de salida las cuales provienen de los controles booleanos o de los controles de tiempo. El tipo de señal que se envíe depende del usuario, él se encargará de elegir con qué tipo de control manipulará el sistema, ya sea manual 86

87 o automático. La señal procedente de este subvi se enviará a otro subvi que aunque no sea nuestro principal VI de monitoreo es muy importante. En seguida se presenta en la imagen la programación de nuestro subvi mencionado. Ilustración 68. Control ON/OFF En la ilustración 68 se puede apreciar el panel frontal donde tenemos nuestro Tap Control, éste es el encargado de ofrecernos las opciones disponibles para llevar a cabo nuestro control, se puede apreciar que el Tap Control es una especie de Folder con pestañas, el número de pestañas dependerá del número de opciones que tengamos para controlar nuestra programación. En este caso se encuentran dos pestañas debido al número de opciones que podemos elegir para el control (control automatico y manual). El Tap Control será enlazado a una Case Structure en el cual se realizará la programación correspondiente al control seleccionado. El primer caso que se describirá será el control manual. 87

88 Ilustración 69. Programación "Control Manual" Cuando se selecciona la opción manual en nuestro panel frontal, se puede observar la programación mostrada en la ilustración 69, la programación es relativamente sencilla y por ende fácil de comprender. Cuando se selecciona esta opción, se activan en automático los controles booleanos de la programación en curso, éstos se encargarán de mandar las señales cuando sean activados por el usuario, estas señales se enviarán a través de nuestras líneas siguiendo la secuencia lógica de la programación. La opción siguiente que es el control automático el cual apreciamos en la ilustración 70 y que se describirá a continuación. 88

89 Ilustración 70. Programación "Control Automático" En esta opción ya no se requiere de un operador que esté encendiendo o apagando nuestros circuitos. En el momento que deseamos tal operación, como sucede en el modo manual, y solo se requiere programar previamente en nuestros controles de tiempo, la fecha y la hora para que lleve a cabo dichas acciones. En esta opción se utilizan controles de tiempo los cuales encontramos en nuestro panel frontal como Time Stamp, se puede apreciar en la ilustración 70 que se requiere de dos controles de este tipo para cada señal que se desea manipular, debido a que uno de ellos se va a utilizar para determinar la fecha y hora a la que se quiere encender algún circuito y el otro se utilizará para determinar la fecha y hora de apagado del circuito que se encendió. Para lograr la programación deseada para dicho control debemos utilizar una función muy útil que nos proporciona el software (labview) la cual se llama Get Date/Time In Seconds Function, esta función nos envía la fecha y hora que se está corriendo actualmente, este valor de fecha es tomado del tiempo al que está funcionando el reloj de la computadora en la cual se está trabajando, una vez seleccionada dicha opción se empieza la programación con una doble comparación entre nuestros dos controles de encendido y apagado de circuito con la función ya mencionada, si nuestra fecha programada de encendido es previa o actual a la fecha actual, se enviará una señal del tipo digital la cual será de un valor true, verdadero, 1, etcétera, y a su vez cuando el valor actual de fecha previa o actual a nuestra fecha programada de apagado igualmente se mandará una señal alta o verdadera, estas dos señales se enlazan a una función del tipo lógica booleana 89

90 and que se encargará de enviar la señal, solo cuando las dos señales de entrada sean verdaderas. Debido a la lógica de nuestra programación, nuestras fechas de encendido y apagado deben estar coordinadas correctamente, ya que si la fecha de arranque es menor a la de paro, nunca se llevará a cabo el encendido, de los circuitos Programación de protección Fusible Una parte importante dentro de cualquier instalación eléctrica de cualquier tipo es la protección de dicha instalación, que va de la mano con la seguridad de los usuarios de dicha instalación. El nombre de este sub VI es debido a la función para la que esta diseñado, su comportamiento es como el de un fusible, ya que este abre el circuito cuando hay una sobre corriente en el sistema, por algún corto circuito o algún aumento de carga para el cual no está diseñada la instalación. Ilustración 71.- Programación "Fusible" 90

91 Se puede observar en la ilustración 71 que en este sub VI nuestras entradas estarán dadas por dos tipos diferentes de ellas, una será del tipo booleano, procedente del subvi, Control ON/OFF (descrito previamente); mientras que el otro tipo de entrada se trata de un control waveform, se utiliza este control ya que tendremos una señal de entrada al sub VI del tipo dinámica, la cual se puede apreciar fuera del sub VI en la imagen del lenguaje G de control. Esta señal es proveniente de una variable local, esta variable local (de solo lectura) nos enviará la señal del control o indicador que sea seleccionado para ella. Como nos interesa que nuestro programa actué contra una sobrecorriente, se elegirá para nuestra variable local, el indicador gráfico de corriente, de la programación de monitoreo. La programación de este sub VI está dividida en cinco partes idénticas, una para cada uno de los circuitos del sistema, el control booleano se encuentra enlazado a una Case Structure el cual activará o desactivará la estructura, en modo True y empezará la lógica del programa. Fuera de este Case Structure se encuentra la señal de entrada de la variable local de corriente, esta señal será la entrada a un VI express llamado Amplitude and Level Measurements, del que ya se habló anteriormente, el cual nos proporcionará el valor eficaz (RMS) de la señal que adquiere y se envía a un indicador numérico, posteriormente esta señal RMS entrará a la Case Structure y se enlazará a la entrada de una función de comparación llamada Select, en la cual se le imponen dos condiciones para indicar cuando la salida de la función será verdadera y cuando será falsa. Se puede apreciar en la programación que para obtener dichos valores de restricción se utilizó otra variable local referente al indicador numérico RMS y junto a un comparador se da las restricciones de mayor que para la condición de activar el LED que nos representa una sobrecorriente y menor que para la entrada de la 91

92 función Select. En nuestro sub VI se aprecia que para que nuestra función nos arroje una señal verdadera nuestro valor eficaz de corriente debe de ser menor a 7 Amperes (este valor de corriente es elegido por el usuario), así cuando nuestra señal RMS sobrepase dicho valor, la señal de salida será falsa, lo que ocasionará el apagado del circuito, cuando esto ocurra el programa enviará una señal a un indicador booleano, el cual se puede observar en nuestro panel frontal, éste se encarga de mostrarnos que nuestro programa ha detectado un aumento de corriente en el sistema que se está monitoreando, por lo tanto ha sido desenergizado, este indicador se puede observar como un LED de color rojo. Las señales de salida de nuestro sub VI se dirigirán a la función build array la cual se encargará de construir un arreglo con las señales de entrada en ella, el arreglo que resulta de dicha función será enviada a nuestra segunda DAQ Assisten, la cuan se encargará de procesar el arreglo de señales y enviarlas a través de la tarjeta de adquisición de datos las cuales se envían como señales del tipo digital con un valor de voltaje de 5 Vdc hacia nuestro circuito físico La Programación de Vigilancia. Una parte esencial de nuestra programación es la referida a la vigilancia de la residencia, local, edificio, etc., para ello se implementara la programación del monitoreo y control de la instalación. Con el aumento de la delincuencia en nuestro país hoy en día un servicio de vigilancia en cualquier casa, fraccionamiento, departamento, condominio o zona habitacional es imprescindible. A continuación se muestra la forma de como se encuentra estructurado el lenguaje G que llevará a cabo la labor de vigilancia. El Módulo LabVIEW NI Vision Development es para científicos, ingenieros y técnicos que desarrollan aplicaciones de visión artificial y de imágenes científicas de LabVIEW. Incluye IMAQ Vision, una biblioteca de poderosas funciones para procesamiento de visión y el Vision Assistant un entorno interactivo para desarrolladores que necesitan generar rápidamente prototipos para aplicaciones o que necesitan inspección fuera de línea. Para poder adquirir imágenes mediante una cámara USB, labview nos proporciona la opción de lograrlo de dos formas diferentes, el primer código y además el más sencillo de los dos es utilizar un VI s Express el cual tiene por nombre Vision Adquisition el cual nos permite la adquisición de imágenes en tiempo real, este VI está configurado para tomar una imagen con cada iteración 92

93 del ciclo while en el cual se encuentre. La ilustracion72 nos muestra el icono relacionado con dicho código. Ilustración 72. Visión adquisition Como se mencionó, este es el método más sencillo para adquirir imágenes en tiempo real, sin embargo, con este método no es posible generar un video con respecto a las imágenes que se están adquiriendo, por lo tanto la opción indicada y con la cual trabajamos en nuestro programa maestro para lograr capturar videos es el segundo método que se describirá a continuación. Ilustración 73.Programación "Vigilancia" Como se puede observar, una porción de nuestra programación se encuentra fuera de nuestro ciclo while, esto se debe a que estos subvi s utilizados, son los encargados de la configuración de la cámara y video (parte izquierda) y cerrado de la adquisición de imágenes (parte inferior) para llevar a cabo la secuencia lógica requerida, dicha configuración solo es necesaria que se realice una vez, y no miles de veces por segundo lo que pasaría si se colocan dentro del ciclo while, ocasionando errores en nuestra programación al momento de ejecutarse. La otra 93

94 parte de nuestro programa ya se encuentra dentro de nuestro ciclo while, específicamente dentro de una estructura case, esta es la parte encargada de adquirir las imágenes, la cual si es necesaria que se adquiera de una manera constante. Todas las funciones y sub VI s necesarios para realizar la programación se encuentran dentro de la paleta Vision and Motion del diagrama de bloques. La programación se inicia con un sub VI llamado IMAQdx open camera que es el encargado de abrir la cámara o iniciarla, a este VI se enlaza como entrada (sesión in) una constante. Esta constante nos dará una variedad de opciones para elegir dependiendo del número de cámaras que tengamos disponibles en el momento en la PC que se está trabajando, la salida se enlazará a nuestro siguiente VI llamado IMAQdx Configure Grab, y se encargara de configurar nuestra cámara automáticamente una vez que reciba la señal del VI anterior. La salida de éste entrará a nuestro ciclo continuará con la programación. Para empezar a capturar nuestro video se inicia con el VI llamado IMAQ AVI Create, este, empieza la configuración de nuestro video que se capturará con respecto a las señales de entrada que reciba. Las señales de entrada necesarias son dos, una de ellas es la encargada de dar el número de muestras tomadas por segundo por el video y la otra será la ruta donde se guardará nuestro video. Para darle la ruta de guardado a nuestro video tenemos dos opciones, una es utilizar un VI expresss llamado File Dialog (ilustración 74) en donde damos una ruta de guardado, podemos darle un nombre a nuestro video y proporcionamos el formato en el que queremos guardar dicho video y la segunda opción es usar un control File Path Control en éste solo se da una ruta de guardado, que se selecciona previamente. Ilustración 74. File Dialog Para nuestra programación se seleccionó el control File Path Control, ya que para el propósito del programa es más conveniente, para este control solo se indica la ruta donde se encuentre un video y la programación se encargará de sobreescribir automáticamente el nuevo video sobre el antiguo, mientras que, si se utiliza el VI Express cada vez que empiece la programación de la captura de video 94

95 se requerirá que el usuario elija en el momento, donde guardar el nuevo video. La salida del IMAQ AVI Create entrará al ciclo while para continuar la programación. El otro VI que se encuentra fuera del ciclo while (parte superior) lleva por nombre IMAQ Create. Éste crea un espacio en la memoria temporal (RAM) para que se almacene una imagen mientras se realizan cálculos sobre ella. Por eso es necesaria una nueva ubicación de memoria por cada imagen o parte de una imagen que necesite guardarse o desplegarse por separado. La salida de éste igualmente entrará al ciclo para continuar con la lógica de programación. Dentro del ciclo encontramos una estructura case, la cual está condicionada para activarse mediante una función de comparación mayor que que tiene por entradas la señal proveniente de la DAQ Assistent y una constante la cual calculamos previamente de valor 4.4, dicho valor se debe al voltaje que detecta la tarjeta de adquisición debido a los sensores, aunque estos estén apagados, y con una función booleana and, las entradas de esta función será la salida del comparador mayor que y la salida de un control booleano, con el cual habilitaremos la cámara de seguridad, el objetivo principal de la restricción and es evitar el encendido de la cámara cuando no se desee, la que la programación de vigilancia solo se activara al recibir la señal del sensor y al haber activado el botón habilitador de dicho programa. Dentro de la estructura podemos encontrar los dos VI s principales los cuales llevan por nombre IMAQdx Grab e IMAQ AVI Write Frame, el primero de ellos recibe las señales provenientes de los VI s IMAQdx configure Grab e IMAQ create y es el encargado de empezar la adquisición de la imágenes y el segundo VI que es el encargado de crear nuestro video recibe las señales procedentes de los VI s IMAQ AVI Create y IMAQdx Grab. Las señales de salida se enlazan al VI correspondiente con el cierre de sesión (IMAQxd Close Camera, IMAQ AVI Close e IMAQ Dispose). Se puede apreciar que dentro de la estructura case se encuentra enlazado a la salida (image out) del VI IMAQdx Grab un indicador image display el cual nos muestra en nuestro interfaz gráfico, en tiempo real, las imágenes que se están obteniendo al activarse nuestra estructura case. Otro aspecto importante dentro de nuestra programación de vigilancia también se puede apreciar dentro de la estructura case, el cual es nuestro sub VI llamado . En seguida se muestra la programación de tal subvi. 95

96 Ilustración 75. Programación "correo" Este sub VI está diseñado para alertar al usuario inmediatamente de posibles perturbaciones detectados por el sensor dentro del lugar donde se instaló el sistema de vigilancia, el sub VI funciona de la siguiente manera: se enviará un correo electrónico a la(s) persona(s) conveniente(s). En el subvi se ingresan los datos correspondientes a cada String Control para determinar: el servidor de correo electrónico, la dirección de correo del destinatario(s) al cual se enviará la información, un dirección de correo electrónico de referencia al que se le mandará una notificación en caso de algún error al enviarse el , también se tendrá que ingresar la contraseña del correo electrónico de referencia para seguridad, una dirección de correo electrónico el cual se mostrará como el remitente, un apartado para adjuntar archivos (opcional), el cuerpo y asunto del mensaje, así como también un botón para habilitar o deshabilitar el envío del correo electrónico. Cabe mencionar que dentro del software, en el diagrama de bloques existen varios tipos de sub VI s los cuales hacen la función de enviar correos, cada uno de ellos cuenta con configuraciones diferentes para diferentes necesidades del usuario. Para la programación será necesario instalar una cámara vía USB a nuestra PC, ya que la programación está diseñada para utilizar las cámaras que se encuentran instaladas en nuestro sistema. Para lograr el objetivo deseado es implementado en nuestra unidad un sensor infrarrojo, dicho sensor va a ser el encargado de enviarnos las señales necesarias 96

97 a nuestra tarjeta de adquisición de datos la cual enlazará nuestras señales recibidas a nuestra programación, el cual ejecutara o no el programa dependiendo el valor de las señales recibidas. Cabe mencionar que se puede utilizar algún sensor de movimiento o algún otro tipo de sensor sin importar la complejidad de éste para llevar a cabo la generación de las señales, para nuestro caso se utilizó un sensor sencillo para demostrar el objetivo El Control Remoto Hoy en día los avances tecnológicos son tales que nos han ahorrado muchos esfuerzos a los seres humanos, uno de estos avances tecnológicos, son los llamados controles remotos, estos nos permiten como su nombre lo indica controlar algún dispositivo o aparato a distancia mediante el envió de alguna señal, la cual es reconocida por el receptor (el aparato a controlar). LabVIEW es un lenguaje de programación el cual nos permite, mediante su propio servidor web, tener un acceso remoto a él, mediante una conexión cliente-servidor el cliente podrá controlar el panel frontal del servidor, y por ende, la programación publicada, la única computadora que contará con el software de labview será la del servidor, por lo que el control será de una manera muy sencilla 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 (dependiendo del sistema operativo). 97

98 Ilustración 76. Configuración "web server" En el campovisible 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 Allowviewing 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 ilustración 77. [3] 98

99 Ilustración 77. Configuración "visible VI's" 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 ilustración 78 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). 99

100 Ilustración 78. 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 ilustración 79. Ilustración 79. Personalización del panel para el control remoto 100

101 La ilustración 80 nos muestra como se realiza el paso tres, que consiste en guardar el archivo, 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 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). Ilustración 80. Obtención del URL y guardado del archivo 101

102 RESULTADOS OBTENIDOS Al operar los elementos del circuito electrónico de control para energizar los circuitos derivados instalados, se observa el funcionamiento de manera estable de cada uno de ellos durante un tiempo prolongado. Los elementos encargados de atenuar la señales (TP s y TC s) provoca en el sistema pequeños errores debido al flujo remanente que presentan dichos elementos, sin embargo estos errores son despreciables debido a su magnitud, por lo que las mediciones mostradas en el Instrumento Virtual son relativamente exactas. Es importante destacar las mediciones gráficas de corrientes obtenidas para cierto circuito del sistema, se nota la distorsión de la onda sinusoidal provocada por los elementos de estado sólido y alumbrado de arco conectados (lámparas fluorescentes compactas) generadores de armónicas. El uso de instrumentos virtuales no solo logra mediciones altamente confiables al ser éstas idénticas a las que presentan los instrumentos reales convencionales, sino que también protege al usuario de los peligros inherentes a los que pueden exponerse al tomar mediciones de cargas en funcionamiento, sin mencionar el ahorro económico en equipos de medición. La fácil construcción, utilización y bajo costo de los sensores de movimiento los hacen fácilmente accesibles para su utilización, en coordinación con los Instrumentos Virtuales, como elementos de seguridad en cualquier tipo residencia. La velocidad de respuesta del VI a través de la web va a ser directamente proporcional a la velocidad de los datos enviados a la red, por lo que si se requiere de un proceso muy rápido se deberá tener en cuenta dicho aspecto. Por lo tanto, los objetivos pueden darse por cumplidos al lograr controlar las cargas, monitorear los parámetros eléctricos de una instalación eléctrica, así como, resguardar la seguridad de los habitantes al implementar sensores y cámaras de vigilancia enlazadas al VI. El inconveniente que presenta dicho tipo de instalación es que, al ser nuestro Instrumento Virtual una computadora presenta varios problemas relacionados con la misma, por lo que para elevar la eficiencia del VI al máximo, es necesario implementarlo en algún sistema embebido. 102

103 CONCLUSIONES Se elaboró el prototipo de una instalación residencial donde los resultados fueron los esperados. Se realizó la programación lógica, con labview, necesaria para manipular a voluntad manual y vía remota el prototipo de una instalación eléctrica residencial. Se realizó un dispositivo de vigilancia mediante sensores fotoeléctricos, que al activarse encienden una cámara que grabará un video en base a la programación realizada además de enviar un correo electrónico de alerta a la persona interesada. Se logró monitorear correctamente las variables que presenta una instalación eléctrica como son: el voltaje, corriente, potencia real, potencia reactiva y F.P. El monitoreo de nuestro consumo energético dentro de una instalación nos ayudara a mantener en un nivel aceptable nuestro consumo, así como determinar la calidad de la energía que se está utilizando. El uso de dispositivos de protección (fusibles, interruptores termomagnéticos, relevadores de sobrecarga, etc.) se minimizan al estar los circuitos protegidos por la programación del software, así como los mismos usuarios se encuentran más protegidos al poder monitorear mediante el software su instalación. 103

104 REFERENCIAS [1].- Deco Estilo. Instalaciones domóticas: La casa inteligente. Obtenido el 3 de marzo Desde: [2].-Julio C. Rodriguez Rocha & Carlos Aguirre Velez. Instalaciones Eléctricas, Proyectos Residenciales e Industriales. Editoral Trilla [3].-Lajara J. & Pelegrí J. (2007). LabVIEW entorno gráfico de programación. Alfaomega grupo editor. México D.F. [4].-National Instruments (1996). LabVIEW tutorial manual. Recuperado de: [5].-National Instruments (2012). Bus-Powered M Series Multifunction DAQ for USB - 16-Bit, up to 400 ks/s, up to 32 Analog Inputs, Isolation. Obtenido el 15 de mayo de 2013, desde [6].-National Instrumentes (2013). Software de Desarrollo de Sistemas NI LabVIEW. Obtenido el 05 de junio 2013, desde: [7].-Germán A. Holguín, Sandra M. Pérez & Álvaro A. Orozco. Curso Basico LabVIEW 6i. (tesis) Facultad de ingeniería Eléctrica, Universidad tecnológica de Pereira (2002) [8].-Valery M. Vega & Adel F. Prieto. CUJAE Automática y Computación. Facultad de Ingeniería Eléctrica del ISPJAE (Abril 2005) [9].-National Instrument (2013). NI Developer zone, La comunidad en español, Discusiones sobre productos NI. Obtenido de: [10].- Secretaria de Energía. NORMA Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2012, Instalaciones Eléctricas (utilización). Noviembre 2012 [11].-Diego A. Zamora García. Monitoreo y control remoto de motores eléctricos mediante instrumentación virtual. Universidad Veracruzana, Facultad de ingeniería Mecánica Eléctrica (tesis para licenciatura, agosto 2012). [10].-Luis A. Fernández Orea. Control automático y monitorización remota de instalaciones eléctricas residenciales mediante instrumentación virtual con LabVIEW. Universidad Veracruzana, Facultad de ingeniería Mecánica Eléctrica (tesis para licenciatura, agosto 2012). 104

105 ANEXOS APÉNDICE (A) Tabla 1.1 (Tabla , NOM-001-SEDE-2012).- Ampacidades permisibles en conductores aislados para tensiones hasta 2000 volts, 60 C a 90 C. No más de tres conductores portadores de corriente en una canalización, cable o directamente enterrados, basados en una temperatura ambiente de 30 C*. 105

106 Tabla 1.2 (Tabla C2, NOM-001-SEDE-2012).- Número máximo de conductores compactos en tuberías eléctricas no metálicas (ENT). 106

107 Nota: El trenzado compacto es el resultado de un proceso de fabricación, en el cual un conductor aprobado se comprime hasta que prácticamente se eliminan los intersticios (espacios entre los hilos trenzados). Tabla 1.3 (Tabla , NOM-001-SEDE 2012).- Conductor del electrodo de puesta a tierra para sistemas de corriente alterna. 107

108 Tabla 1.4 (Tabla , NOM-001SEDE-2012).- Tamaño mínimo de los conductores de puesta a tierra para canalizaciones y equipos. 108

109 APÉNDICE (B) Tabla 1.1 Requerimientos de los distintos sistemas para LabVIEW. 109

110 Tabla Tipos de datos con los que trabaja labview. Tabla Rangos de entrada para los dispositivos NI-USB-621x. Rango de entrada Resolución nominal Suponiendo 5% sobre el rango 10 V to 10 V 320 μv 5 V to 5 V 160 μv 1 V to 1 V 32 μv 200 mv to 200 mv 6.4 μv 110

111 Tabla Tipos de conexiones para las entradas analógicas de los dispositivos NI-USB-621x. AI AJUSTE REFERENCIA A TIERRA Fuentes de señal flotante (No conectado a Edificio tierra) Ejemplos: Termopares sin conexión a tierra Acondicionamiento de señal con salidas aisladas Batería dispositivos Conectada a Fuentes de Señal a tierra Ejemplo: Plug -in instrumentos con Salidas no aisladas Diferencial (DIF) Sin referencias Individual - Ended (NRSE) Terminación única referencia (RSE) * Véase la entrada analógica Ground-Reference sección Configuración de las descripciones de la RSE, NRSE, y los modos de diferencias y Consideraciones sobre el software. Consulte Conexión a tierra con referencia a la señal sección Fuentes para obtener más información. Nota: (USB-621x Dispositivos BNC) Consulte la sección de entrada analógica correspondiente a su dispositivo USB-621x BNC en Apéndice A, información específica del dispositivo para obtener más información sobre el uso de tierra y flotantes fuentes de señal con su dispositivo. 111

112 Tabla 1.4 Datos de operación de la hoja características de las DAQ mx serie M. 112

113 113

114 114

115 115

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