Automatización de una Casa Inteligente con PLC s. Agradecimientos

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3 Agradecimientos Castro Rangel Mauricio Javier: Este trabajo es producto de las personas que han creído en mi incondicionalmente, que su amor me han hecho llegar a este punto, a mi mamá y mis hermanos, a mis compañeros que me han apoyado con sus consejos y sus conocimientos para crecer como estudiante y como persona, a nuestro asesores que pusieron su fe en nosotros, y a todas las personas que me han permitido visualizar un futuro mejor. Enriquez Lozano Diego: Agradezco a todos aquellos que durante mi camino hasta este punto creyeron en mí, a mis amigos, a mis padres, a mis hermanos y al destino que me puso en cada lugar a su debido tiempo para aprender y crecer como persona. Pacheco Contreras Aldrin: Dedico esta obra a mis padres quienes siempre tuvieron el buen cuidado de apoyarme en todos mis estudios, que con sabiduría y amor me criaron para no estar desamparado en la vida, así agradezco a mis hermanos quienes emocionalmente influyeron a formarme profesionalmente, reconozco el apoyo de todas las personas que amistosamente me honraron con sus buenas cualidades y que me inspiran a ser una persona de éxito. Estoy honrado de haber concluido la obra en cooperación de mis compañeros, y de los asesores que amablemente aceptaron apoyarme en esta empresa.

4 Índice: Página Objetivo Justificación Introducción Capítulo 1: Marco Teórico Definición de una Casa Inteligente Historia de las Casas Inteligentes Grados de Inteligencia Características Fundamentales de una Casa Inteligente Historia del PLC Arquitectura del PLC Programación del PLC Diagrama de Escalera 21 Capítulo 2: Elementos de Control Control de Potencia Elementos de Mando Microcontrolador PIC16F84A 43 Capítulo 3: Desarrollo de Proyecto Control de Acceso Control de Iluminación Control hidráulico, hidrosanitario y riego automatizado Detección contra Incendios Vigilancia Perimetral.. 87 Capítulo 4: Costos de Proyecto Introducción Costos de Materiales Costos de Mano de Obra Costo Total de Proyecto 99 Conclusiones Bibliografía Anexo Anexo Anexo Anexo Anexo Anexo

5 Objetivo Implementar un controlador lógico programable, PLC, en los sistemas hidráulicos y eléctricos de una casa habitación para hacerla inteligente, lo que permitirá administrar operaciones de servicio y seguridad de forma autónoma. Justificación Una casa inteligente proporciona un ambiente confortable, saludable, seguro, y un sentido de modernidad a la vivienda, aprovecha de las tecnologías de la automatización, impulsado por los avances de la electrónica y la necesidad actual de entre otros, ahorro de agua, aumentando la Calidad de Vida de las personas. Los Controladores Lógicos Programables satisfacen las necesidades de flexibilidad en cambios de su programación, discreción en cuanto a espacio, de alta confiabilidad, y posibilidades de expansión, requerimientos que caracterizan a una casa inteligente de ser adaptable para aceptar cambios tecnológicos y estructurales. Por lo anterior, un Ingeniero en Robótica se ve obligado a satisfacer las necesidades y tendencias tecnológicas de la automatización asistida por PLC, aplicándolo en el desarrollo de viviendas y manteniendo la competitividad tecnológica nacional a nivel mundial.

6 Introducción El origen de las casas inteligentes proviene de la demanda de los edificios inteligentes, inicia en la década de los 80 con la euforia del mercado que deseaba integrar a los edificios, nuevos sistemas de control, computadoras y comunicaciones. En la década de los 90 se consolida el desarrollo de los edificios automatizados, aprovechan los espacios tanto verticales como horizontales, en donde también es primordial el confort y la tecnología amigable al usuario. Actualmente los edificios son diseñados y construidos con propósitos específicos, el diseño de algunos está dirigido para un mercado especial, en su mayoría, los dispositivos de control ahora están al alcance económico tanto a empresas y edificios más pequeños, esto ha permitido a un nuevo termino nacido en Francia llamado domótica, que proviene de domus, en latín casa y tica de automática, que hace referencia a la aplicación del edificio inteligente en la casa habitación. El PLC se diseñó en los años de 1963 para eliminar los grandes tableros de control en los que se encontraban muchos relevadores de control, temporizadores y contadores, además de que su cableado era demasiado complejo por lo que en el momento de buscar fallas, o modificar el proceso, el responsable de su mantenimiento requería una gran cantidad de tiempo para reparar o modificar y poner en funcionamiento a la máquina, tiempo que se detenía la producción y la empresa perdía ingresos en esos tiempos muertos. Fue en 1977 que se logro la integración de los controladores programables compactos, basados en set (poner), y reset (restablecer), que además, empleaban configuraciones jerárquicas como parte de un sistema integrado de manufactura. La aplicación de un PLC es de controlar diversos procesos en casas habitación; el PLC no ha sido diseñado para el funcionamiento de una actividad específica, sino que puede actuar en cualquier tipo de proceso que requiera activar una gran cantidad de salidas y que su control pueda tener igual número de mandos, estas características de ser programable, permite que se pueda modificar en cualquier momento su programa de ejecución, la cual utiliza un lenguaje técnico estandarizado. En esta tesis se aborda el tema de casas habitación inteligentes, y se describirán de forma resumida en los capítulos que componen esta tesis. Así, en el primer y segundo capítulo, marco teórico y elementos de control, se explican los fundamentos en materia de Casas Inteligentes y de Controladores Lógicos Programables de manera que el lector tenga conocimiento del proyecto a desarrollar. En el capitulo tres, desarrollo proyecto, se publicarán los procedimientos y resultados que se obtuvieron de la investigación, que comprende los servicio de agua, de iluminación, y

7 algunos de confort, seguridad y protección fundamentales para que sea considerada una casa inteligente. En el cuarto capítulo, costos, se detalla el valor monetario que trae consigo la implantación del proyecto de hacerse, costo de los componentes, costos de la mano de obra y el costo total del proyecto, además de las conclusiones de este proyecto. Elementos que componen un sistema de Casa Inteligente

8 Capítulo 1: Marco Teórico 1.1 Definición de una Casa Inteligente 1.2 Historia de las Casas Inteligentes 1.3 Grados de Inteligencia 1.4 Características Fundamentales de una Casa Inteligente 1.5 Historia del PLC 1.6 Arquitectura del PLC 1.7 Programación del PLC En este capítulo se exponen en detalle los elementos teóricos necesarios para el desarrollo de este proyecto, haciendo referencia a datos históricos e investigaciones realizadas con anterioridad. Página 1

9 1.1 Definición de Casa Inteligente Domótica o casa inteligente 1, es el conjunto de servicios proporcionados por sistemas tecnológicos integrados, como el mejor medio para satisfacer estas necesidades básicas de seguridad, comunicación, gestión energética y confort, del hombre y de su entorno más cercano. De gran interés es término integración, todas las necesidades se deben satisfacer de forma global y en conjunto. En otro caso no puede hablarse de casa inteligente, sino simplemente de la automatización de tal o cual actividad. En México el encargado de evaluar los grados de inteligencia de un edificio inteligente es el IMEI 2, quien define a una casa o edificio inteligente como: aquel que esta centralmente automatizado para optimizar su operación y administración de forma eléctrica, es altamente eficiente para minimizar el uso de energía, altamente seguro y confortable, que respeten las normas tecnológicas. La finalidad de una casa inteligente es crear un ambiente confortable, saludable y seguro. Proporcionar mayor flexibilidad a los cambios originados por las necesidades de los habitantes. Facilitar la operación con tecnología transparente al usuario. Altamente eficiente en el uso de la energía y el agua. Fig. 1.1 Principales actividades que se automatizan en una Casa Inteligente 1.2 Historia de las Casas Inteligentes No existe una fecha exacta sobre el origen de la casa inteligente, pero con frecuencia se hace referencia al año 1978, cuando salió al mercado el sistema X10, considerado el primer sistema estándar que permitía a varios electrodomésticos comunicarse entre ellos, así como el control de luces de la casa habitación, aprovechando en todo momento la instalación eléctrica existente y sin necesidad de cables. 1 Definición de la Real Academia Francesa 2 Instituto Mexicano del Edificio Inteligente Página 2

10 A partir de este momento, la tecnología comenzó a evolucionar, se buscaba crear un producto que pudiera conectar entre sí las redes que nutren a un hogar de energía e información, tales como: agua, electricidad, red telefónica, gas, calefacción, etc., con la automatización como principal objetivo. Cada país desarrolló de forma distinta esta nueva tecnología, dependiendo tanto de la potencia de su industria tecnológica y de telecomunicaciones; como de las necesidades de energía e información que quisiera cubrir con su desarrollo y su ideología. Estados Unidos fue uno de los primeros países en entrar en este sector de la tecnología. Los estadounidenses controlaban el campo de la informática gracias a IBM, permitiéndoles desarrollar un proyecto llamado Interactive Home 3. A partir del año 1984, se lanzó el proyecto de la National Association of Home Builders 4, denominado Smart House 5. El elemento fundamental del Smart House era un sistema de cableado unificado que reemplazaba a las redes de energía e información tradicionales de una casa. Como innovación, destacaba su sistema de control de circuito cerrado, que permitía controlar cualquier aparato por medio de una señal y conocer en todo momento lo que está ocurriendo dentro de la casa. Aunque no fue el único, este proyecto fue uno de los más importantes de la época y el primer paso de la industria estadounidense hacia un campo en el que actualmente es una de las líderes. Japón fue otra de las potencias tecnológicas que se interesó por el desarrollo de esta nueva tecnología. Cabe mencionar que en el año de 1982, en Japón había llegado a la saturación del mercado en teléfonos, lo que impulsó nuevas tendencias, como la telefonía sin hilos o el desarrollo de las centrales telefónicas. También hubo cambios en otros aparatos, como la televisión en color. El primero de ellos llegó a una saturación de mercado muy importante, el 99% de los hogares japoneses ya poseía en 1986 un televisor a color. La respuesta fue el anuncio de innovaciones, como la televisión en alta definición; que permitieron un avance importante a la tecnología audiovisual, que forma parte también del concepto de Hogar Digital. Antes de mencionar a los países europeos, hay que tener en cuenta que la Comunidad Europea contaba con una serie de programas de investigación tecnológica que hacían referencia en muchos casos a esta nueva tecnología para el hogar, y que tenía efectos a nivel económico gracias al presupuesto que la comunidad europea destinaba a las investigaciones. 3 Hogar Interactivo 4 Asociación Nacional de Constructores de Casas 5 Casa Inteligente Página 3

11 Ejemplos de programas de este tipo fueron el Esprit, Euronet Diane, o Race, entre los años 1987 y 1992, todos ellos destinados al desarrollo de tecnología y las telecomunicaciones. Pero el más conocido de todos ellos fue el Programa Eureka de 1985, que fijaba sus fines hacia productos comerciables de las tecnologías de la información y de las telecomunicaciones, la robótica, los materiales, las técnicas de montaje, la biotecnología, la tecnología del medio marino, el láser, la protección del medio y la nueva generación de medios de transporte. Además, integraba el subproyecto específico llamado Integrated Home Systems 6, cuyos objetivos eran poner a punto una red doméstica y desarrollar productos compatibles con esta red. Este proyecto tuvo sucesores años más tarde, en los que participaron empresas de toda Europa tales como Siemens, British Telecom o Thomson. Más allá de los proyectos comunitarios, los países más grandes y tecnológicamente más potentes de Europa, Alemania, Francia y Reino Unido, también desarrollaron sus propias investigaciones, entre las cuales se destacan las innovaciones en los campos de la teleeducación, la telemedicina, la telemetría y teleseguridad. En el caso francés, hay que destacar el apartado de teleeducación, en el que el Centre National de Documentation Pédagigique y el Centre National d Etudes des Telecomunications lanzaron en 1989 un servicio de formación escolar llamado Educable con un banco de imágenes accesible a través de Minitel. Por lo que respecta a telemetría y teleseguridad, existían en Francia varios proyectos dedicados al ahorro de agua, gas y electricidad, y el gran número de robos en el país propiciaron que Thomson lanzara un sistema de disuasión a través de voz sintética. Alemania fue otro de los países donde más novedades se dieron en estos niveles, y centró los esfuerzos en el campo de la telemetría y teleseguridad. El Gobierno alemán se dio cuenta de las posibilidades comerciales y de exportación de la telemetría o medida remota de energía, por lo que lanzó la red TEMEX 7 que implicaba soluciones integradas para la electricidad, gas, agua y cálculo anticipado de calefacción. Para finalizar en el Reino Unido, hubo innovaciones en telemedicina, donde destacó la empresa Manorfield System Ltd, que desarrolló paquetes de software para farmacéuticos en 1978; así como en el campo del teletrabajo, donde destacaba el proyecto Department of Trade and Industry para discapacitados. La primera definición de este concepto nació en los años setenta en Francia con la palabra domotique 8, que hacía referencia al progreso conjunto que tres grandes áreas de la 6 Casa con Sistemas Integrados 7 Thelemetry Exchange 8 Domótica Página 4

12 tecnología, la informática, la electrónica y las telecomunicaciones. La domótica es una denominación referida a las viviendas, por la que diversos productos tecnológicos de áreas como la electricidad, la electrónica, la informática, la robótica y las telecomunicaciones convergen y se integran en un sistema con objeto de proveer aplicaciones y servicios de utilidad para los habitantes del hogar. Por lo que respecta a la casa inteligente, expresión muy usada especialmente en los ochenta y los noventa, podríamos definirla como aquel edificio que se basa en la automatización de las funciones, de las actividades, que cuenta con telecomunicaciones avanzadas y finalmente que muestra flexibilidad al cambio, para poder satisfacer las necesidades de los distintos usuarios que pueda albergar. 1.3 Grados de Inteligencia Fig. 1.2 Ejemplo de Domótica El concepto en México es relativamente nuevo, llega a principios de los 90 y a partir de este momento existe un gran interés por conocer a detalle cuando un edificio puede ser considerado inteligente, sin embargo, resulta difícil trazar una línea divisora que permita diferenciar con precisión cuando un edificio es inteligente; no obstante que existe grado de inteligencia dentro de un edificio, y considerando las necesidades reales de los dueños mexicanos, este concepto deberá irse introduciendo paulatinamente, sobre todo en edificios de gran tamaño, cuya operación y prestación de servicios resulta muy complejo. A continuación se analizan los grados de inteligencia de un edificio desde el punto de vista tecnológico. Página 5

13 Grado 1. Inteligencia mínima o básica. Un sistema básico de automatización del edificio, el cual no está integrado. Existe una automatización de la actividad y los servicios de telecomunicaciones, aunque no están integrados. Grado 2. Inteligencia media. Tiene un sistema de automatización del edificio totalmente integrado. Sistemas de automatización de la actividad, sin una completa integración de las telecomunicaciones. Grado 3. Inteligencia máxima o total. Los sistemas de automatización del edificio, la actividad y las telecomunicaciones, se encuentran totalmente integrados. Para el desarrollo de este proyecto se involucran como mínimo los siguientes sistemas: Sistemas de automatización de la casa. Sistemas de automatización de la actividad. Con lo cual se integra a la casa con un nivel de inteligencia aceptable. 1.4 Características de una Casa Inteligente Las características de una Casa Inteligente son las siguientes: 1. Flexibilidad. La casa es altamente adaptable para los continuos cambios tecnológicos. Estructuralmente, será necesario prever ductos adicionales para comunicaciones, un cuarto de equipos de control, la orientación para aprovechar la luz del Sol, y todo aquello le permita darle mayor flexibilidad a la casa. En cuanto a servicios, son todos los sistemas eléctricos- electrónicos, hidráulicos, sanitarios, control y seguridad. 2. Integración. La casa centralmente automatizada para optimizar su operación y administración. Son todos los servicios dentro de la casa, se puede incluir en cualquiera de las siguientes áreas: Protección, Seguridad, Administración, Ahorro de Energía y Servicios Básicos. Todas estas áreas, al establecer un sistema control básico quedan integradas a través de la automatización. 3. Seguridad. La seguridad es un aspecto fundamental en el diseño de una casa inteligente, incluyendo equipos contra incendios y lo que permita a los habitantes sobrevivir ante una contingencia. Dentro de este concepto se debe incluir la seguridad patrimonial, incluyendo todos los adelantos tecnológicos que cuiden y vigilen el inmueble contra el crimen. Página 6

14 4. Ahorro de energía y agua. Con el sistema básico del control de una casa, se logrará un sustancial ahorro de agua y energía, ya que los equipos serán programados para que operen en situaciones de máximo rendimiento. 1.5 Historia del PLC La historia del PLC se remonta al año de 1963, cuando la fábrica de autos General Motors pidió a sus ingenieros la implementación de equipos de control que no resultaran tan costos, ya que al cambio de modelos, se tenían que construir máquinas con diferente proceso, por lo que cambiaba también, al sistema de control; si reconsidera que cada máquina estaba gobernada por una gran cantidad de relevadores de control, temporizadores, contadores, arrancadores y pistones; entonces, a cada cambio de modelo, la gran mayoría de este equipo se desechaba, por lo que los costos de producción se elevaban considerablemente. En el año de 1969 se construyen los primeros controladores programables que en realidad eran relevadores electrónicos que se podían reprogramar para no desecharse. En 1971 se empiezan a aplicar los primeros controladores programables fuera de la industria automotriz. En 1973 aparecen los primeros controladores programables inteligentes en los que se integran, en otras cosas, operaciones aritméticas, capacidad para almacenar listados de datos, movimiento de la información, operaciones por matrices e interconexión de terminales de video. Para el año de 1975 se logran la integración de funciones analógicas por medio de los operadores matemáticos P.I.D. 9 los cuales hacen posible el acceso de mandos como acopladores térmicos, sensores de presión y todas aquellas señales que no son de tipo digital, sino que se establecen parámetros comparativos para lograr que esa señal analógica sea detectada por el equipo y comience y termine su proceso, dependiendo del tipo de señal que envíe el mando. En 1976 se empleaban por primera vez los controladores programables en configuraciones jerárquicas como parte de un sistema integrado de manufactura. En el año de 1977 se logran la integración de los controladores programables compactos, basados en set y reset. 9 Proporcional Integral Derivativo Página 7

15 1.6 Arquitectura del PLC Fig. 1.3 Modulo de PLC La arquitectura del PLC es el diseño que integra a las partes principales que conforman al equipo y la función que realizan, prácticamente podemos decir que está compuesto por 5 y estas son: Modulo de entradas o inputs Modulo de optoacoplador, tanto para entradas como para salidas Modulo de salidas o outputs Unidad Central de Proceso, CPU Programador o software Página 8

16 Fig. 1.4 Arquitectura de PLC El modulo de entradas Fig. 1.5 Software Micro Logixs 500 para PLC Es la parte en la que se conectan todos los mandos componentes del sistema de control como pueden ser: pulsadores, interruptores, sensores, etc., la gran mayoría de los equipos tienen una fuente de alimentación propia para la conexión de estos mandos, es decir, el PLC tiene una fuente de alimentación que en su mayoría es de 24 V c.d., y en otros casos se requiere de una fuente de alimentación externa. Esta fuente es necesaria porque los optoacopladores trabajan a esa tensión y su conexión es la siguente: Página 9

17 Fig. 1.6 Ejemplo de conexiones de Entradas Físicas al PLC Cuando el PLC tiene su propia fuente de rectificación, el optoacoplador tiene un borne común, que en este caso es un borne de 0 V, el cual es de signo negativo (-) conectado al borne S0, mientras que en los mandos se conectan al borne de 24 V que es de signo positivo (+) de esta manera el botón cerrado está enviando una señal directamente al optoacoplador, el fototransistor está cerrando el circuito y conectado al CPU para que cuando se cierre el botón abierto este envie una señal al optoacoplador, ponga en continuidad al fototransistor y complemente el mando hacia el CPU y este, en combinación con las memorias respectivas realicen una función determinada de acuerdo a como se haya programado. Todos los mandos envían una señal 0 o una señal 1 al microprocesador. Cuando algún mando envía una señal analógica se debe conectar una tarjeta de acoplamiento que convierte la señal analógica a digital. Las señales analógicas son aquellas que se envían con un valor indefinido como son temperaturas, tensiones o corrientes y en las que esos valores varían en el tiempo y que pueden partir de 0 alcanzar un valor alto y decrecer en el tiempo, por esta razón es que se colocan tarjetas que determinan en que valor de la señal analógica es 0, y en que momento es 1. Página 10

18 Fig. 1.7 Tipos de Señales Optoacoplador Fig. 1.8 Optoacoplador. Se emplea para evitar que algún un error en la conexión de entrada, o de salidas pueda dañar al CPU, está compuesto por un led y un fototransistor, de manera que cuando se conecta a una señal de entrada, en el modulo respectivo, el led se enciende y pone en conductividad al fototransistor, esta señal esta transmitida hacia el CPU, de manera que se evita que la señal de entrada pase físicamente de forma directa al CPU. En la gran mayoría de los nuevos equipos se colocan dos leds por cada optoacoplador para emplear cualquier polaridad, con lo que se facilita la conexión de los sensores sean estos de tipo PNP o del tipo NPN. Página 11

19 Fig. 1.9 Conexión de los sensores de tipo PNP o del tipo NPN a un PLC con salida a optoacoplador. Modulo de salidas Es la parte en la que se conectan los actuadores componentes de sistema como son: contactores, arrancadores, electroválvulas, luces, etc. En este modulo se pueden conectar hasta tres tipos de tensión distinta, dependiendo de la tensión de trabajo de las cargas, de la marca y del modelo del equipo, sus bornes de alimentación son independientes del optoacoplador y sus contactos pueden ser activados por relevador seco, por transistor o por TRIAC, en la siguiente figura se muestra como se pueden conectar las salidas, sean a transistor o a relé. Página 12

20 Fig PLC con salida a transistor. Fig PLC con salida a Relevador. Página 13

21 Unidad Central de Proceso Fig PLC con salida a Rectificador Controlado de Silicio. Es la parte más importante del equipo, ya que es quien procesa la información recibida de acuerdo a un programa grabado previamente en su memoria y envía la o las señales de salida al modulo respectivo para poner a funcionar a una máquina. Adicionalmente al CPU existen varios tipos de memoria que son las que se encargan de almacenar varios tipos de datos, tanto de ejecución como de programación. Fig Arquitectura de la Unidad Central de Proceso Página 14

22 La comunicación que existe entre el CPU, las diferentes memorias, los módulos de entradas, salidas y las interfaces de comunicación se da a través de buses, las cuales enlazan estos elementos a través de hilos o pistas intercambiando datos u órdenes. En el equipo se pueden almacenar una gran cantidad de datos dados a través de Bits con valor 0 y 1 que combinados constituyen en lenguaje binario, la capacidad de procesamiento de un CPU está dada por el modelo del mismo, se le conoce como velocidad de procesamiento. En memorias adicionales se pueden almacenar datos de fábrica y datos de programación, cada una de las cuales juegan un papel en el proceso de programación y ejecución de los datos. Estos datos se introducen en el equipo a través de datos codificados en valores binarios 0 y 1 conocidos como Bits. Un Bit es la unidad de información más pequeña con valores cero y uno, estos valores los proporciona básicamente el modulo de entradas de los sensores o mandos quienes solamente pueden guardar dos estados. Cerrado (1) Abierto (0) De la misma forma el CPU puede entregar, como resultado del proceso, dos valores en sus salidas Outputs Salida Activa (1) Salida Inactiva (0) O internamente puede procesar con estos dos valores las salidas de los relevadores de control, conocidos como banderas. Un grupo de 8 bits forma lo que se conoce como un Byte, el que sirve para agrupar varias señales de información binaria. Por ejemplo, los direccionamientos, en la mayoría de los equipos, cuando son de entradas o de salidas, lo mismo que relevadores internos pueden ser agrupados por medio de bytes: Una Palabra es la unidad de información compuesta por varios bits, esta palabra sirve para el proceso de información más compleja, en la que se manejan varios valores mayores al bit, por ejemplo: Tiempos, conteo de eventos, cálculos matemáticos, comparación de valores, etc. Procesador de Palabras, cuando un CPU es de mayor capacidad puede ser capaz de procesar grupos de varios bits en lugar de procesar a bits sueltos. Además, cada equipo tiene una velocidad de barrido, que es el tiempo que tarda el equipo en reconocer los datos almacenados y las conexiones externas en las entradas y salidas. El CPU es el encargado de ejecutar el programa que se diseña y se introduce previamente además de ordenar las transferencias de información en el sistema de entradas y salidas, Página 15

23 también establece la comunicación con otros periféricos externos como pueden ser tarjetas adicionales u otros equipos PLC. Junto con el CPU se integran memorias que almacenan los datos que se introducen por medio de un programador, las memorias más comunes que se emplean son: ROM Read Only Memory. Memoria de solo lectura esta memoria se graba desde su fabricación y está destinada a cumplir una tarea general. En esta memoria no afecta la falta de señal eléctrica, es decir se conserva independientemente de que este o no energizada el equipo. RAM Random Access Memory. Traducido del inglés que significa memoria de acceso y en la cual se puede escribir pudiendo modificarse el programa cuantas veces se desee, que es una de las ventajas principales de los PLC sobre las tarjetas electrónicas. Esta memoria es del tipo volátil, es decir que debe ser respaldada por una pila interna que la proteja de cualquier falla de alimentación de la red eléctrica para evitar la pérdida de la memoria del programa. En muchos casos las pilas o capacitores que respaldan a esta memoria llegan a fallar, por lo que muchos fabricantes han recurrido a la memoria tipo EEPROM. EPROM Erasable Programable Only Memory. Es una memoria que puede ser borrada o modificada por luz ultravioleta y que conserva su memoria aun cuando exista una falta de alimentación de la red, pero el proceso de modificación tarda entre 15 y 45 minutos, además de que se requiere de un equipo de reprogramación. EEPROM - Erase Electrical Random Access Memory. La memoria no volátil es una de las mejores para guardar datos sin necesidad de energía de respaldo, y solamente se puede programar y borrar por medio de una señal eléctrica, de ahí su nombre traducido del inglés Memoria de Lectura, escritura programable y borrable eléctricamente. Esta memoria se ejecuta a través de un software y una PC o a través de un programador manual. Esta memoria es la ideal para los equipos de PLC. NVRAM Non Volatile RAM. Es una memoria de lectura y escritura no volátil. 1.7 Programación del PLC El Controlador Lógico Programable tiene la versatilidad de poder adaptarse a cualquier máquina, ya que su característica de ser programable permite que se puedan modificar en cualquier momento su programa de ejecución. El programa de un PLC debe coincidir con el diseño de un diagrama de cableado con todos sus componentes, dicha programación se realiza por medio de lo que conocemos como lenguajes de programación, los que difieren en parte o totalmente de los que se Página 16

24 emplean para programación de computación como puede ser Pascal o Basic, entre otros. Por lo tanto a los lenguajes que se emplean para programar al PLC se le conocen como lenguajes técnicos. El lenguaje técnico debe de tener, entre otras, las siguientes características: fácil de entender, que se pueda convertir fácilmente con el diseño de cableado y estar dentro de una normalización estandarizada, IEC y ANSI. Tabla 1. Simbología Convencional Símbolos Convencionales Nombre Símbolo para el PLC ANSI IEC Botón pulsador de arranque o botón pulsador de cierre Botón pulsador de paro o botón pulsador de apertura. Botón de arranque con enclavamiento o botón de cierre con enclavamiento. Botón de paro con enclavamiento o botón de apertura con enclavamiento. Interruptor de fin de carrera o de limite N.A. o interruptor de fin de carrera de carrera o de cierre. Interruptor de fin de carrera o de limite N.C. o interruptor de fin de carrera o de limite de apertura. Interruptor de flotador de N.A. o interruptor flotador de cierre. Página 17

25 Interruptor de flotador N.C. o interruptor flotador de apertura. Bobina de relevador o de contactor, en el PLC salida. Contacto de relevador o de contactor N.A. o también de cierre. Contacto de relevador o de contactor N.C. o también de apertura. Bobina de temporizador on delay. TON Contacto de temporizador on delay N.A. o también de cierre. Contacto de temporizador on delay N.C. o también de apertura. Bobina de temporizador off delay. TOFF Contacto de temporizador off delay N.A. o también de cierre. Página 18

26 Contacto de temporizador off delay N.C. o también de apertura. Para la programación de los PLC se han desarrollado varias formas que coinciden con el tipo, marca y modelo de cada equipo, sin embargo en todos los lenguajes coinciden en la adaptación de los diagramas de cableado en cuanto a los mandos, ejecución y activación de las salidas. Diagrama de Escalera o de Contactos En la programación de diagramas de escalera, también conocida como diagrama de contactos, se convierte cada símbolo de contacto de cualquier elemento, que puede ser de: temporizador, botones, sensores, relé de control, etc. en contactos conocidos como de activación instantánea, y su diagrama coincide con la simbología de la norma ANSI. Existen algunos autores que consideran que este tipo de programación es para los técnicos electricistas, ya que estas personas están más familiarizadas con los diagramas de control electromagnético convencional. Diagrama de escalera en PLC SQUARE D MICRO Lista de Instrucciones o Mnemónicos Fig Diagrama de escalera en PLC Existen equipos que se pueden programar por lista de instrucciones, para realizarla se requiere conocer las abreviaturas y rutinas de programación que admite el equipo y su direccionamiento. Uno de los requisitos para introducir la lista de instrucciones, también llamada de sentencias, es el saber la forma en que se encuentran conectados los mandos o entradas y los contactos internos de cada elemento interno como son las banderas, las temporizadores, los contactores y las salidas. Página 19

27 En realidad, la programación por lista de instrucciones, parte de la interpretación del diagrama de contacto en la que se puede observar de que forma están enlazados los contactos y dicho enlace es a través de la abreviatura de la unión o del elemento que se está conectando. Lista de instrucciones en PLC SQUARE D MICRO 1 : 0. Lod 1 1.Lod 2 2.Or And Shf Lod 4.And 3 Funciones Lógicas 5. Out End TRS+ENTER+ENTER En la programación por funciones lógicas, se considera la forma de conexión que existe en los contactos, sea serie o paralelo y esta conexión se convierte en compuertas lógicas para acoplarlas y lograr convertir el diagrama de control electromagnético a diagrama de funciones. La mayoría de los equipos con programación de funciones lógicas son muy limitados en cuanto a la cantidad de entradas y salidas, además, la cantidad de funciones y de memoria no permiten la programación de circuitos muy grandes o complejos, se emplean para controles de máquinas pequeñas o para sistemas de alarmas u otras tareas fuera del área industrial. Funciones lógicas en PLC Logo! I3 I2 0 >=1 0 & Q Q1 0 SC I3 Fig Funciones lógicas Algunos equipos, tienen la facilidad de convertir en su software, el lenguaje de programación de contactos a la lista de instrucciones y a bloques lógicos. Página 20

28 1.8 Diagrama Escalera La elaboración del diagrama de contactos es una actividad obligada que se debe de realizar antes de direccionar al sistema, consiste en trabajar con el diagrama electromagnético y realizar los cambios de los contactos convencionales a un diagrama de escalera, el cual es muy parecido al diagrama en ANSI, por ejemplo: L1 L2 B.P. B.A. S.C. RC RC RT RT I D RT D I Fig Diagrama de Control En el siguiente diagrama de control electromagnético en sistema americano se muestra en relevador de control con su contacto NA para el enclavamiento, sus mandos con botón de arranque normal abierto o de cierre, su botón de paro o de apertura, un temporizador con sus contactos NA, NC y dos bobinas de contactor I y D, así como un contacto cerrado de cada uno. Para realizar el diagrama de contactos se van a colocar, en primera instancia, los mandos conectados a una línea vertical del lado izquierdo, y posteriormente la salida virtual del relevador, se recordará que esta función es interna. En el segundo peldaño se repite el contacto de enclave del relevador de control, ya que el temporizador depende de que este contacto este cerrado para comenzar a funcionar, conectado al contacto del relevador esta la caja del temporizador, indicando, en la parte inferior el tiempo preseleccionado, es decir en cuanto tiempo debe de operar sus contactos dicho elemento. A continuación se dibuja el siguiente peldaño con el contacto del relevador, no se debe olvidar que en el PLC los elementos como son las bobinas del relevador, las salidas, los mandos, los temporizadores, etc., pueden contener cuantos contactos de apertura y cierre se necesiten, es decir que se puede disponer de una cantidad ilimitada de los mismos; conectados en serie se encuentran el contacto cerrado Página 21

29 del temporizador y el contacto de la salida a la bobina I, por ultimo en el mismo peldaño se encuentra la salida a la bobina D. Por último, se dibuja el peldaño final en el que se representa el contacto de enclave del relevador de control, con el contacto de cierre del temporizador en serie y el contacto cerrado de la salida a la bobina D, también en serie para alimentar a la bobina I. Una vez que se ha elaborado el diagrama de contactos se procede a colocar la nomenclatura de cada uno de los componentes del circuito, es decir, a nombrar tanto a los contactos como a las bobinas de acuerdo al diagrama electromagnético. Fig Diagrama de Escalera Como se pudo observar, en los dibujos anteriores, que para cada salida se ha colocado un contacto NA de RC, además del contacto de control del temporizador y del contacto de bloqueo entre ambas bobinas, esta tarea se realiza para facilitar la programación por lista de instrucciones. Si se observa, en el diagrama anterior, se ha colocado un contacto abierto en lugar del botón cerrado, pero esto solamente se hace con los mandos y es por seguridad del sistema, ya que el botón cerrado es un elemento de mando mecánico, por lo tanto estará enviando una señal a la entrada del PLC sin ser pulsado, por lo que esa señal es procesada de inmediato por el equipo. Página 22

30 Si en lugar de un contacto abierto se colocará un contacto cerrado, entonces se tendría que mandar el paro a través de un botón NA, pero esto no da seguridad al sistema ya que en caso de que se desconecte algún cable del botón de paro, este no será identificado en el equipo y al pulsar el botón en caso de necesidad, no se detendrá la máquina ya que la señal nunca llegará al PLC. Fig Forma correcta de introducir el mando al PLC. Al estar cerrado el botón de paro ya está enviando una señal al bit del PLC, por lo que este ya lo tiene registrado como cerrado en su memoria, si se programará un contacto cerrado y se conectara el botón cerrado, entonces el bit lo registrará abierto, por lo que al momento de correr el programa, la salida no se podrá activar, ya que no existe flujo por ese contacto que está abierto. Fig Forma incorrecta de introducir el mando al PLC. En la siguiente figura se observa que cuando se pulsa el botón de arranque, abierto, el contacto del programa se cierra al recibir el bit la señal de entrada, mientras que en el contacto que se programo como cerrado no fluye la corriente al estar cerrado el botón de paro, por lo que la señal en el contacto programado es un inversor e invierte la señal recibida, si no existe señal de entrada el contacto se cierra, pero si hay señal el contacto se abre. Página 23

31 Fig Ejemplo de funcionamiento en el diagrama de control y diagrama de escalera. BA BP RC RC TON RC RC RT I D RC RT D I Fig Diagrama de escalera de la figura 1.14 Tabla 2. Descripción de la Fig Función electromagnética Botón de Arranque Botón de Paro Relevador de Control Temporizador On Delay Salida a Bobina D Salida a Bobina I Ubicación y Función en el PLC Entrada Física Entrada Física Bobina Interna Virtual Temporizador Interno Virtual Salida Física a Bobina de Contactor para giro derecho Salida Física a Bobina de Contactor para giro izquiero Página 24

32 Tabla de Direccionamientos En la siguiente tabla se indican los factores a considerar en circuito de control que ha de ser programado en el PLC. Denominación.- Debe ser el nombre que le estamos dando al elemento, sea este interruptor de entrada o sea una salida a actuador, por ejemplo: botón de paro, botón de arranque, interruptor de límite, interruptor de temperatura, sensor inductivo, etc. Siglas.- Es la etiqueta con que se identifica al elemento en el diagrama electromagnético, es decir la nomenclatura que se emplea para identificar cada uno de los integrantes del circuito. Dirección.- Es el direccionamiento que se da al elemento, para saber si es un elemento de mando o elemento de salida, mediante las iniciales del inglés: entrada = input (I); salida = output (O). Función.- En este espacio se indica la función o la acción que realiza cada uno de los elementos. Tabla 3. Direccionamientos. Denominación Etiqueta Dirección Función Botón de Arranque B.A. Input Externo Al pulsar el botón de arranque pone en funcionamiento el sistema. Botón de Paro B.A. Input Externo Al pulsar el botón de paro se detiene el funcionamiento del sistema. Relevador de R.C. Output Al ser energizado por el botón de Control Temporizador On Delay Interno arranque enclava al sistema. R.T. TON Al ser energizado por el contacto R.C. cambia el estado de sus contactos cuando transcurre el tiempo preestablecido. Contactor D D Output Externo Contactor I I Output Externo Al ser energizado la bobina del contactor D el motor trabaja a la derecha e impide que trabaje el contactor I. Al ser energizado la bobina del contactor I el motor trabaja a la izquierda e impide que trabaje el contactor D. Página 25

33 Una vez que se ha llenado la tabla anterior se procede a direccionar con el protocolo de la marca del equipo, para esto es necesario que se revise el listado de direcciones de la marca, para este proyecto se utilizará un equipo Allen Bradley Tabla 4. Direccionamientos del PLC Allen Bradley 1200 P.L.C. Entradas Salidas Banderas, Relés, Bits o Marcas Internas Allen Bradley I:0/0 I:0/11 O:0/0 O:0/11 B3:0 B3:4096 Temporizadores Contadores T4:0 T4:255 C5:0 C5:255 I:0/0 I:0/1 1 B3:0 B3:0 B3:0 T4: B3:0 T4:37 O:0/1 O:0/0 B3:0 T4:37 O:0/0 O:0/1 Fig Diagrama con direccionamientos de PLC Allen Bradley. Este diagrama de contactos se encuentra direccionado y listo para introducirse al programador o al Software. Página 26

34 Tabla 5. Descripción de la fig Denominación Operando Operando Función Simbólico Absoluto Botón de Arranque B.A. I: 0/0 Energizar al Sistema Botón de Paro B.A. I: 0/1 Detiene el funcionamiento del sistema Relevador de Control R.C. B3: 0 Enclava y mantiene en funcionamiento al sistema Temporizador On Delay R.T. T4: 37 Controla el tiempo de operación del motor con giro derecho e invierte el sentido del giro. Contactor D D O: 0/0 Salida al contactor para que el motor gire en el sentido derecho. Contactor I I O: 0/1 Salida al contactor para que el motor gire en el sentido izquierdo. Página 27

35 Capítulo 2: Elementos de Control 2.1 Control de Potencia 2.2 Elementos de Mando 2.3 Microcontrolador PIC16F84A En este capítulo se exponen los elementos teóricos de entrada, salida, control y potencia necesarios en la operación del PLC. Página 28

36 2.1 Control de Potencia El tema de controles y automatismo es una parte importante en las instalaciones de la casa habitación, se ha venido desarrollando rápidamente en este medio, de acuerdo con los avances de la tecnología y la industria, haciendo necesario la actualización de los medios de control automáticos, siendo este tema la base de los controles automáticos para motores eléctricos y otros sistemas actuadores eléctricos, por controladores lógicos programables. El control de potencia es una de las cuatro funciones que conforman la estructura de la automatización. Su función básica consiste en establecer o interrumpir la alimentación de los receptores siguiendo las órdenes de la unidad de proceso de datos. Dichas órdenes se elaboran a partir de la información procedente de los captadores, función de adquisición de datos, y de los órganos de mando, función de diálogo hombre-máquina. Entre los receptores más utilizados para el accionamiento de máquinas se encuentran los motores eléctricos. Los equipos de control de potencia destinados a controlarlos, normalmente llamados arrancadores, realizan las funciones de seccionamiento, protección y conmutación. Los arrancadores cuentan con los elementos necesarios para controlar y proteger los motores eléctricos. De la elección de éstos depende el rendimiento de toda la instalación: nivel de protección, funcionamiento con velocidad constante o variable, etc. El arrancador garantiza las siguientes funciones: 1. Seccionamiento 2. Protección contra cortocircuitos y sobrecargas 3. Conmutación. Seccionamiento. Para manipular las instalaciones o las máquinas y sus respectivos equipos eléctricos con total seguridad, es necesario disponer de medios que permitan aislar eléctricamente los circuitos de potencia y de control de la red de alimentación general. Esta función, llamada seccionamiento, le corresponde a aparatos específicos: seccionadores o interruptores. Página 29

37 Protección Todos los receptores pueden sufrir accidentes, de origen eléctrico, sobre carga, caída de tensión, variación de voltaje o ausencia de fases que provocan un aumento de la corriente absorbida, cortocircuitos cuya intensidad puede superar el corte del contactor. De origen mecánico, calado del rotor, sobrecarga momentánea o prolongada que provocan un aumento de la corriente que absorbe el motor, haciendo que los bobinados se calienten peligrosamente. Con el fin de que dichos accidentes no dañen los componentes ni perturben la red de alimentación, todos los arrancadores deben incluir obligatoriamente protección contra los cortocircuitos, para detectar y cortar lo antes posible las corrientes anómalas, protección contra las sobrecargas, para detectar los aumentos de corriente y cortar el arranque antes de que el recalentamiento del motor y de los conductores dañe los aislantes. Si es necesario, se pueden añadir protecciones complementarias como el control de fallos de aislamiento, de inversión de fases, de temperatura de los bobinados, etc. La protección corresponde a seccionadores portafusibles, interruptores automáticos, relés de protección y relés de medida, funciones específicas integradas en los aparatos de funciones múltiples. Conmutación La conmutación consiste en establecer, cortar y, en el caso de la variación de velocidad, ajustar el valor de la corriente absorbida por un motor. Según las necesidades, esta función puede realizarse con aparatos, electromecánicos, contactores, electrónicos: relés y contactores estáticos, variadores y reguladores de velocidad. Características de Diseño A) Todo esquema debe ser realizado de forma tal que pueda ser interpretado fácilmente. Para ello es necesario que se indiquen claramente los circuitos que lo componen, así como el ciclo de funcionamiento. B) Ofrece ayuda muy valiosa para el mantenimiento del equipo, así como para la localización de posibles daños que permitan proceder a su reparación. Tabla 6. Símbolos más utilizados (DIN) Marcas más usadas: Fases: R-S-T ó L1 - L2 - L Neutro: N Página 30

38 Descripción Símbolo Relé Térmico Contactos Principales de Contactor Bobina de contactor Normalmente cerrado (NC) Normalmente abierto (NA) Conexión desconexión Desconexión múltiple Conexión múltiple Página 31

39 Marcha-paro Dos posiciones Auxiliar normalmente cerrado Auxiliar normalmente abierto Nota: En los contactos cerrados y abiertos la numeración puede variar. Contactos cerrados: 21-22, 31-32, 41-42, etc; Contactos Abiertos: 23-24, 33-34, 43-44, etc. Contactos auxiliares del relé térmico Contactos temporizados al trabajo Finales de carrera o interruptores de posición Página 32

40 Contactor Fig. 2.1 Contactor Contactor, es un aparato de maniobra automático con poder de corte, y que por consiguiente puede abrir o cerrar circuitos con carga o en vacío. Partes del contactor. Fig. 2.2 Partes Constitutivas de un Contactor. Carcasa. Es la parte externa que protege del medio a los componentes internos. Bobina. Es el arrollamiento de alambre, que al aplicarse la tensión crea un campo magnético, Se construye con cobre o aluminio. La tensión de alimentación puede ser la misma del circuito de fuerza o inferior a ésta, o reducidas por un transformador. Núcleo. Serie de láminas muy delgadas, o chapas, ferromagnéticas y aisladas entre sí, generalmente de hierro silicoso, con la finalidad de reducir al máximo las corrientes originando pérdidas de energía por el efecto Joule, generalmente en Página 33

41 forma de E. En los contactores cuyo circuito de mando va a ser alimentado por corriente alterna, el núcleo debe tener un elemento adicional denominado espiras de sombra, espiras en cortocircuito, espiras de frager o anillos de defasaje. Fig. 2.3 Núcleo de Contactor. Cuando circula la corriente alterna por la bobina, cada vez que el flujo es cero, la armadura se separa del núcleo dos veces por segundo, porque el flujo magnético producido por la bobina es también dos veces cero. En realidad como el tiempo es muy pequeño, 1/120 de segundo cuando la frecuencia es 60 Hz, es imposible que la armadura se separe completamente del núcleo, pero es suficiente para que se origine un zumbido y vibración. Para evitar este inconveniente se colocan en las dos columnas laterales del núcleo las espiras de sombra, construidas en cobre, para suministrar al circuito magnético un flujo cuando la bobina no le produce, creando en consecuencia un flujo magnético constante, similar al que puede producir la corriente continua. Armadura. Elemento similar al núcleo de transformador, en cuanto a su construcción, pero que a diferencia de éste es una parte móvil, cuya finalidad principal es cerrar el circuito magnético, cuando se energice la bobina, porque en estado de reposo debe estar separada del núcleo. Se aprovecha de esta propiedad de movimiento que tienen para colocar sobre él una serie de contactos, parte móvil del contacto, que se cerraran o abrirán siempre que la armadura se ponga en movimiento. Página 34

42 Fig. 2.4 Partes móviles del Contactor. Contactos. Los contactos son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de la corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el de mando, tan pronto como se energice la bobina. Se construyen dichos puntos en materiales aleados a base de plata-cadmio, plataníquel, plata-paladio, etc. Estas partes deben tener una gran resistencia al desgaste por erosión que produce el arco, tener buena resistencia mecánica, poca resistencia eléctrica en el punto de contacto, no oxidable y no ser susceptible a pegarse o soldarse. Una de las precauciones que más debe tomarse en cuenta es hacerles un mantenimiento periódico, así como protegerlos del polvo, grasa, humedad, etc. Fig. 2.5 Contactos o Platinos. Página 35

43 En el contactor se encuentran dos tipos de contactos: Contactos Principales. Son los contactos que tienen por finalidad realizar el cierre o apertura del circuito principal, a través del cual se transporta la corriente al circuito de utilización, carga. Se tienen contactores con contactos capacitados para transportar corrientes desde unos cuantos amperes, hasta corrientes con intensidades muy elevadas. La zona, donde se produce el arco, conocida comúnmente cámara apaga chispas, debe constituirse con materiales muy resistentes al calor, tales como poliester con un gran porcentaje de fibra de vidrio. Contactos Auxiliares. Son aquellos contactos que tienen por finalidad el gobierno del contactor, específicamente de la bobina, y de su señalización. Pueden ser abiertos o cerrados, y como están hechos para dar paso únicamente pequeñas corrientes suelen ser normalmente más pequeños que los contactos principales. El número de contactos auxiliares por contactor varía de acuerdo a las necesidades de las diferentes maniobras desde uno normalmente abierto, hasta varios abiertos y cerrados. Algunos casos se tienen contactores que tienen únicamente contactos auxiliares, denominados por esta razón contactores auxiliares o relevadores. Funcionamiento del contactor Cuando la bobina es recorrida por la corriente eléctrica, genera un campo magnético que hace que el núcleo atraiga a la armadura, parte móvil, se cierran todos los contactos abiertos y se abren los contactos cerrados, principales y auxiliares. Al desenergizar la bobina los contactos vuelven a su estado inicial, o de reposo. Elementos de Protección. Protección contra los cortocircuitos Un cortocircuito es el contacto directo de dos puntos con potenciales eléctricos distintos, en corriente alterna se genera de contacto entre fases, entre fase y neutro o entre fases y masa conductora, en corriente continua es generado por contacto entre los dos polos o entre la masa y el polo aislado. Las causas pueden ser varias, por ejemplo, cables rotos, flojos o pelados, presencia de cuerpos metálicos extraños, depósitos conductores, polvo, humedad, etc., filtraciones de agua o de otros líquidos conductores, deterioro del receptor o error de cableado durante la puesta en marcha o durante una manipulación. El cortocircuito desencadena un aumento de corriente que en milésimas de segundo puede alcanzar un valor cien veces superior al valor de la corriente de empleo. Por lo tanto, es preciso que los dispositivos de protección detecten el fallo Página 36

44 e interrumpan el circuito rápidamente, a ser posible antes de que la corriente alcance su valor máximo. Fusibles Son conductores calibrados expresamente para el paso de determinadas cantidades de corriente, por consiguiente más débiles que el resto de los conductores del circuito, de manera que al producirse un cortocircuito, éste se interrumpirá inmediatamente, debido al bajo punto de fusión que tiene. Simbología Protección Automáticos Son aparatos construidos únicamente para proteger contra sobrecargas, relé térmicos, termomagnéticos y electromagnéticos. Para que un contactor cumpla funciones de protección es necesario que se le adicione otro dispositivo denominado relé de protección. Fabrican en una extensa gama, tanto por la diversidad de tipos, como de procedimientos para proteger. Irregularidades que se pueden producir en las condiciones de servicio de una máquina o motor son: 1. Sobrecarga, por parte de la máquina accionada por el motor. 2. Disminución de la tensión de red, que puede dar lugar a sobrecargas. 3. Gran inercia de las partes móviles, que hacen funcionar el motor Sobrecargado en el período del arranque. 4. Excesivas puestas en marcha por unidad de tiempo. 5. Falta de una fase, haciendo que el motor funcione solo con dos fases. En estos u otros casos similares, los elementos de protección desconectarán el circuito de mando, desconectándose lógicamente el circuito de alimentación de la máquina o motor. Relé térmico Son elementos de protección, una por fase, contra sobrecargas, cuyo principio de funcionamiento se basa en la deformación de ciertos materiales, bimetales, bajo el efecto del calor, para accionar, a una temperatura determinada, sus contactos auxiliares que desenergizen todo el sistema. Los bimetales empezarán a curvarse Página 37

45 cuando la corriente sobrepase el valor nominal. Empujando una placa de fibra hasta que provoque la apertura y cierre de sus contactos auxiliares que desenergicen la bobina y energicen el elemento de señalización. Una vez que los relés térmicos hayan actuado se rearman empleando dos sistemas, son los siguientes. Rearme manual Debe emplearse este sistema siempre que se tengan circuitos con presostatos, termostatos, interruptores de posición o elementos similares, con el objeto de evitar una nueva conexión en forma automática al bajar la temperatura del bimetal. Rearme automático Se emplean exclusivamente en casos en que se usan pulsadores para la maniobra, de manera que la reconexión del contactor no podrá producirse después del enfriamiento del bimetal, sino únicamente volviendo a accionar el pulsador. 2.2 Elementos de Mando Son aquellos aparatos que actúan accionados por el operario, o por alguna señal eléctrica. Los más importantes son los pulsadores y selectores. Interruptores Son dispositivos con cierto poder de corte, para cerrar o abrir circuitos. Al abrirse el circuito, la chispa que se produce debe apagarse rápidamente, antes de que se forme un arco eléctrico, que dañaría fácilmente los contactos. Simbología Componente Pulsadores Aparatos de maniobra con poder de corte. Se diferencian de los interruptores porque cierran o abren circuitos solamente mientras actúen sobre ellos una fuerza exterior, recuperando su posición de reposo, inicial, al cesar dicha fuerza, por acción de un muelle o resorte. Página 38

46 Simbología Componente Selectores dos posiciones Simbología Componente Elementos de Señalización Son todos aquellos dispositivos cuya función es llamar la atención sobre el correcto funcionamiento o paros anormales de las máquinas, aumentando así la seguridad del personal y facilitando el control y mantenimiento de los equipos. Clases de señalizaciones Acústicas. Son señales perceptibles por el oído. Entre las más usadas figuran los timbres, zumbadores o chicharras, sirenas, etc. Ópticas. Son señales perceptibles por la vista. Existen dos clases: Visuales. Se emplean ciertos símbolos indicativos de la operación que se está realizando. Luminosa. Únicamente se emplean lámparas o pilotos, de colores diferentes. De acuerdo a la complejidad y riesgo en el manejo de los equipos, se pueden emplear, señalizaciones visuales, y luminosas, e incluso en casos especiales señalizaciones ópticas y acústicas simultaneamente. Página 39

47 Sensores Es importante la necesidad de accionamientos o elementos que actúan sobre la parte de potencia del sistema. La potencia necesaria para actuar sobre los accionamientos puede ser considerable y a veces no pueden ser suministradas por el sistema de control. En tales casos se requieren unos elementos intermedios encargados de interpretar las señales de control y actuar sobre la parte de potencia propiamente dicha. Dichos elementos se denominan preaccionamientos y cumplen una función de amplificadores, ya sea para señales analógicas o para señales digitales. Es habitual que los sensores requieran una adaptación de la señal eléctrica que suministran para que sean conectables a un determinado sistema de control. Esta función la realizan los bloques de interfaz, que pueden ser totalmente independientes del sensor o estar parcialmente incluidas en el. Los términos sensor y transductor se suelen aceptar como sinónimos, aunque, si hubiera que hacer alguna distinción, el termino transductor es quizá mas amplio, incluyendo una parte sensible o captador propiamente dicho de algún tipo de circuito de acondicionamiento de la señal detectada. En particular, en el estudio de los transductores cuya salida es una señal eléctrica podemos dar la siguiente definición: Un transductor es un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud física en una señal eléctrica codificada, ya sea en forma analógica o digital. No todos los transductores tienen porque dar una salida en forma de señal eléctrica. Como ejemplo puede valer el caso de un termómetro basado en la diferencia de dilatación de una lámina bimetálica, donde la temperatura se convierte directamente en un desplazamiento de una aguja indicadora. Tomando como ejemplo a los transductores en fenómenos eléctricos o magnéticos, estos suelen tener una estructura general, se distinguen las siguientes partes: Elemento sensor o captador. Convierte las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica o magnética, denominada señal. Bloque de tratamiento de señal. Si existe, suele filtrar, amplificar, linealizar y, en general, modificar la señal obtenida en el captador, por regla general utilizando circuito electrónicos. Página 40

48 Etapa de salida. Esta etapa comprende los amplificadores, interruptores, conversores de código, transmisores y, en general, todas aquellas partes que adaptan la señal a las necesidades de la carga exterior. Atendiendo a la forma de codificar la magnitud medida se puede establecer una clasificación en: Analógicos. Aquellos que dan como salida un valor de tensión o corriente variable en forma continua dentro del campo de medida. Es frecuente para este tipo de transductores que incluyan una etapa de salida para suministrar señales normalizadas de 0 10 V o 4 20 ma. Digitales. Son aquellas que dan como salida una señal codificada en forma de pulsos o en forma de una palabra digital codificada en binario, BCD u otro sistema cualquiera. Todo o Nada. Indican únicamente cuando la variable detectada rebasa un cierto umbral o limite. Pueden considerarse como un caso límite de los sensores digitales en el que se codifican solo dos estados. Sensor óptico CNY70 El CNY70 es un sensor óptico reflexivo con salida a transistor fabricado por Vishay Telefunken Semiconductors. Tiene una construcción compacta donde el emisor de luz y el receptor se colocan en la misma dirección para detectar la presencia de un objeto por medio del empleo de la reflexión del haz de luz infrarrojo sobre el objeto. La longitud de onda de trabajo es de 950 nm. El emisor es un diodo LED infrarrojo y el detector consiste en un fototransistor. La distancia del objeto reflectante debe estar entre los 5 y 10 mm de distancia. La corriente directa del diodo I F =50 ma y la intensidad de colector es de I C =50 ma. Fig. 2.6 Sensor CNY70. Página 41

49 Para conectar estos dispositivos hay que polarizarlos, esa es la función de las resistencias de circuito, dos posibles conexiones según se quiera la salida para color blanco o negro. El inversor Trigger Schmitt se intercala para conformar las tensiones a valores lógicos. Hay que tener en cuenta que los valores de transición de la puerta son V T +=2.9 V y V T -=1.9 V para una tensión de alimentación de 5V y no se puede variar. Sensor LDR Fig. 2.7 Circuito típicos de conexión del CNY70 Las resistencia dependientes de la luz, LDR (Light Dependent Resistor) o fotorresistencias, son dispositivos que varían su resistencia en función de la luz que incide sobre su superficie. Cuanto mayor sea la intensidad de la amenaza que incide sobre ella menor será la resistencia entre extremos de la misma. Para su fabricación se utiliza materiales fotosensibles. Su valor nominal se especifica sin que incida la luz externa. Así por ejemplo, una LDR de valor nominal de 50 kω, tendrá dicho valor si se tapa de manera que no incida la luz sobre su superficie, si se le acerca una bombilla de 60 W puede trabajar hasta unos 30 Ω. Las principales aplicaciones de estos componentes son controles de iluminación, control de circuitos con relés, en alarmas, etc. Página 42

50 2.3 Microcontrolador PIC16F84A Fig. 2.8 LDR. Un microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes necesarios para controlar el funcionamiento de una tarea determinada. Un sistema con microcontrolador debe disponer de una memoria donde se almacena el programa que gobierna el funcionamiento del mismo que, una vez programado y configurado solo sirve para realizar la tarea asignada. El microcontrolador es uno de los inventos más notables del siglo XX. Cada tipo de microcontrolador sirve para una serie de casos y es el diseñador del sistema quien debe decidir cuál es el microcontrolador más idóneo para cada uso. En los últimos años han tenido un gran auge los microcontrolador PIC fabricados por Microchip Technology Inc. Los PIC, Peripherical Interface Controller 10, son una familia de microcontroladores que ha tenido gran aceptación y desarrollo en los últimos años gracias a que sus buenas características, por ejemplo bajo precio y reducido consumo. Un microcontrolador PIC16F84A puede trabajar con una frecuencia máxima de 20 MHz. Normalmente el microcontrolador PIC16F84A se alimenta con 5 V aplicados entre los pines V DD y Vss que son, respectivamente, la alimentación y la masa del chip. 10 Controlador Interfaz Periférico Página 43

51 Fig. 2.9 Arquitectura del PIC16F84A. El consumo de corriente para el funcionamiento del microcontrolador depende de la tensión de alimentación, de la frecuencia de trabajo y de las cargas que soportan sus salidas, siendo el orden de unos pocos ma. El microcontrolador se comunica con el mundo exterior a través de los puertos. Estos están constituidos por líneas digitales de entrada-salida que trabajan entre 0 y 5 V. Los puertos se pueden configurar como entradas para recibir datos o como salidas para gobernar dispositivos externos. El PIC16F84A tiene dos puertos: El puerto A con 5 líneas, pines RA0 a RA4. El puerto B con 8 líneas, pines RB0 a RB7. Cada línea puede ser configurada como entrada o como salida, independientemente unas de otras, según se programe. Las líneas son capaces de entregar niveles TTL cuando las tensiones de alimentación aplicada en V DD es de 5 V. La máxima capacidad de corriente de cada una de ellas es: 25 ma, cuando el pin esta a nivel bajo, es decir, cuando consume corriente. Sin embargo, la suma de intensidad por las 5 líneas del puerto A no puede exceder de 80 ma, ni la suma de las 8 líneas del puerto B puede exceder de 150 ma. 20 ma, cuando el pin esta a nivel alto, es decir, cuando proporciona corriente. Sin embargo, las intensidades por las 5 líneas del puerto A no puede exceder de los 50 ma, ni la suma de las 8 líneas del puerto B puede exceder de 100 ma. Página 44

52 Todo microcontrolador requiere de un circuito que le indique la velocidad de trabajo, es el llamado el oscilador o reloj. Este genera una onda cuadrada de alta frecuencia que se utiliza como señal para sincronizar todas las operaciones del sistema. Este circuito es muy simple pero da vital importancia para el funcionamiento del sistema. Fig Conexión del oscilador de cristal. Generalmente todos los componentes del reloj se encuentran integrados en el propio microcontrolador y tan solo se requieren de unos pocos componentes externos, como un cristal de cuarzo o una red RC, para definir la frecuencia de trabajo. El PIC16F84A los pines OSC1/CLKIN y OSC2/CLKOUT son las líneas utilizadas para este fin. Permite 5 tipos de osciladores para definir la frecuencia de funcionamiento: XT. Cristal de cuarzo. RC. Oscilador con resistencia y condensador. LP. Cristal para baja frecuencia y bajo consumo de potencia. Externa. Cuando se aplica una señal de reloj externa. El más utilizado es el oscilador XT y está basado en el oscilador a cristal de cuarzo o en un resonador cerámico. Un oscilador estándar que permite una frecuencia de reloj muy estable comprendida entre 100 khz y 4 MHz. Si se comprueba con un osciloscopio la señal en el pin OSC2/CLKOUT, se debe visualizar una onda senoidal de igual frecuencia que la del cristal utilizado. El reset en un microcontrolador provoca la reinicialización de su funcionamiento, un comienzo a funcionar desde cero. En este estado, la mayoría de los dispositivos internos del microcontrolador toman un estado conocido. Página 45

53 En los microcontroladores se requiere un pin de reset para reiniciar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario. El pin de reset en los PIC se denomina MCLR, master clear, y produce un reset cuando se aplica un nivel lógico bajo. Lenguaje máquina Fig Conexión del reset del PIC16f84A. El único lenguaje que entienden los microcontroladores es el formado por los ceros y unos del sistema binario. Cualquier instrucción que deba ser ejecutada por el microcontrolador puede estar expresada en binario. A este lenguaje se le denomina lenguaje maquina, por ser el que comprende el microcontrolador. Los códigos de este lenguaje que forman las instrucciones se les llaman códigos máquina. Dicha codificación binaria resulta incomoda para trabajar, por lo que muchas veces se utiliza la codificación hexadecimal para facilitar la interpretación de los códigos maquina. Lenguaje ensamblador El lenguaje máquina es difícil utilizar por el hombre ya que se aleja de su forma natural de expresarse, por esto se utiliza el lenguaje ensamblador, que es la forma de expresar las instrucciones de una forma más natural al hombre y que, sin embargo, es muy cercana al microcontrolador porque cada una de sus instrucciones se corresponde con otra en código máquina que el microcontrolador es capaz de interpretar. El lenguaje ensamblador utilizar nemónicos que son grupos de caracteres alfanuméricos que simbolizan las ordenes o tareas a realizar con cada instrucción. Página 46

54 Los nemónicos se corresponden las iniciales del nombre de la instrucción en inglés, de forma que recuerdan la operación que realiza la instrucción. MPLAB IDE El MPLAB IDE es un software de Entorno de desarrollo integrado que se ejecuta bajo Windows. Con este entorno se puede desarrollar aplicaciones para los microcontroladores PIC. El MPLAB incluye todas las utilidades necesarias para realización de proyectos con microcontroladores PIC, permite editar el archivo fuente del proyecto, además de ensamblarlo y simularlo en pantalla para comprobar cómo evoluciona tanto la memoria de datos RAM, como la de programa ROM, los registros de SFR, etc., según progresa la ejecución del programa. El MPLAB incluye: Un editor de texto. Un ensamblador llamado MPASM. Un simulador llamador MPLAB SIM. Un organizador de proyectos. Fig Entorno del MPLAB IDE. Página 47

55 Capítulo 3: Desarrollo de Proyecto 3.1 Control de Acceso 3.2 Control de Iluminación 3.3 Control Hidráulico, Riego automatizado e Hidrosanitario. 3.4 Detección contra Incendios 3.5 Vigilancia Perimetral En este capítulo se muestran los resultados obtenidos de la investigación que comprenden al control eléctrico de una casa inteligente grado 1 en sus características fundamentales. Página 48

56 3.1 Control de Acceso Introducción La seguridad patrimonial de una casa inteligente, comienza con el control de acceso de los habitantes; este control tiene como finalidad vigilar el acceso a la casa. En la actualidad, normalmente cualquier punto que pueda asegurarse con una cerradura es susceptible de ser controlado con un sistema electrónico, de manera que garantice el ingreso solo a personas autorizadas. El punto débil de una cerradura siempre será la llave; eso significa que una llave puede ser fácilmente duplicada, perdida o robada; lo cual implica el riesgo de perder el control de entrada. Un sistema electrónico de control de acceso, es una alternativa confiable, cada persona recibe el código que permite el acceso y garantiza la seguridad en el inmueble. Funcionamiento Fig. 3.1 Muestra de sistemas para el control de acceso. El control de acceso para este caso consta de un teclado hexadecimal, un electroimán de kgf, un botón liberador y el sistema de control. Al introducir la clave el electroimán se desenergiza para abrir la puerta y entrar, después de 5 segundos se vuelve a energizar, para salir se presiona el botón liberador y nuevamente el electroimán se desenergiza para poder salir. En la pantalla LCD se visualiza si la clave es correcta o incorrecta y un LED se enciende para permitir visualizar el teclado en caso de que este obscuro, siempre y cuando se detecte la presencia de un sujeto que intente introducir la clave. Página 49