06. Sistema de Corrientes Portadoras X

Sistema de Corrientes Portadoras X-10
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4 SISTEMA DE CORRIENTES PORTADORAS X-10
4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CORRIENTES
PORTADORAS
La característica fundamental de los sistemas de corrientes portadoras es que
utilizan como medio de transmisión de datos la red de distribución eléctrica de baja
tensión. Si bien existen diferentes fabricantes que adoptan sistemas propios basados en
corrientes portadoras, la tendencia actual es la de la estandarización del sistema, en
concreto en el uso del sistema de corrientes portadoras X-10 que permite compatibilizar
dispositivos de diferentes fabricantes.
4.1.1 COMPONENTES BÁSICOS
El sistema básico de corrientes portadoras está formado por un emisor, que envía
un datagrama a través de la red eléctrica, y un receptor, que lo recibe. El receptor es el
dispositivo encargado e ejecutar la orden recibida. Cada componente tiene su propio
código que lo identifica de forma que todos los componentes de la instalación saben
para quién es el mensaje que se está distribuyendo por la red eléctrica.
4.1.2 ESTRUCTURA DEL SISTEMA
Los sistemas de corrientes portadoras se caracterizan por ser sistemas
descentralizados (aunque se pueden utilizar controladores que realicen la gestión de
determinadas áreas de la instalación), en los que los diferentes elementos del sistema se
conectan a la propia instalación eléctrica. En general, el sistema no necesita ninguna
herramienta de programación específica para programar cada componente.
La línea de datos del sistema la constituye la propia instalación eléctrica y para
su funcionamiento no es necesaria la modificación de la instalación. Por lo tanto, estos
sistemas son de los más adecuados para la automatización de edificios ya construidos
que no tengan cableado de datos preinstalado.
A la estructura básica se le puede añadir complejidad utilizando emisores con
temporización, para conectar y desconectar cargas en función del tiempo prescrito,
añadiendo sensores que se pueden utilizar para detectar movimiento o el nivel de
luminosidad ambiente o introduciendo controladores más complejos que se programan
mediante “macros” (secuencias de acciones que se ejecutan una detrás de la otra) y que
utilizan herramientas de programación software que se ejecutan en un ordenador.
A continuación se presentan las características principales del estándar de
corrientes portadoras con mayor difusión, X-10.
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4.2 EL ESTÁNDAR X10
Es uno de los protocolos más antiguos que aún se emplean en aplicaciones
domóticas. La tecnología X-10 de corrientes portadoras fue desarrollada entre 1976 y
1978 por ingenieros de Pico Electronics Ltd, en Glenrothes, Escocia. Proviene de una
familia de chips conocidos como los proyectos X (la serie X). Esta empresa comenzó a
desarrollar el proyecto con la idea de obtener un circuito que se pudiera implementar en
un dispositivo para ser controlado remotamente. Al principio, se fabricaron en
colaboración con la empresa de sistemas de audio BSR bajo la marca del mismo
nombre.
Aunque el mercado principal de X-10 es el norteamericano, X-10 distribuye
productos en Europa, Asia, África, Latinoamérica y Oceanía. El formato de codificación
es un estándar "De facto" en la transmisión por corrientes portadoras (Power Line
Carrier = P.L.C.).
Los primeros productos comerciales se presentaron en 1978, se trataba de un
Sistema de Control del Hogar de Sears y un sistema Plug\'n Power de Radio Shack.
Ambos integraban componentes de la marca X-10 BSR. Desde entonces X-10 ha
desarrollado y fabricado versiones O.E.M. (Original Equipment Manufacturer) de su
Sistema de Control del Hogar para muchas compañías incluyendo General Electric,
Stanley Health/Zenith Co., Honeywell, Busch Jaeger, Ademco, IBM y un largo etc.
Todos estos sistemas utilizan el formato de codificación X-10 y son compatibles entre
sí.
El sistema X-10 se caracteriza principalmente por:
Ser un sistema descentralizado; configurable; no programable.
De instalación sencilla (conectar y funcionar).
De fácil manejo por el usuario.
Compatibilidad casi absoluta con los productos de la misma gama, obviando
fabricante y antigüedad.
Flexible y ampliable.
La red de la instalación es la base de todo el sistema de corrientes portadoras (X10). Además de suministro de corriente, se encarga también de la transmisión de señales
de mando para los diversos aparatos eléctricos. Con ello se puede enviar señales de
corrientes portadoras a cualquier punto de la instalación que se desee, y a su vez pueden
solicitarse de dicho punto las informaciones pertinentes.
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Figura 4.1: Ejemplo de una instalación X-10
El sistema permite el accionamiento a distancia y control remoto de diversos
receptores eléctricos, desde uno o desde varios puntos y puede funcionar tanto en redes
de corriente alterna monofásica como trifásica.
El proceso de comunicación del sistema se basa en la capacidad de los
transmisores X-10 de enviar un código de señal de baja tensión superpuesta a la señal de
la red eléctrica. Todos los receptores X-10 conectados a la red eléctrica son capaces de
leer este código, pero solo responde aquel receptor al que va dirigido el mensaje. Para
poder lograr esto cada equipo receptor tiene asignada una dirección que lo identifica.
También es posible que varios receptores tengan asignadas la misma dirección, de
forma que todos responderán a la misma orden indicada por el transmisor.
4.2.1 SEÑAL DE DATOS
La transmisión de la información se realiza modulando pulsos de 120 Khz. que
se superponen a la señal de red: El transceiver X-10 está pendiente de los pasos por cero
de la onda senoidal de 50 Hz típica de la alimentación eléctrica para insertar un instante
después ese pulso de 120KHz. El hecho de que los transmisores estén sincronizados con
el paso por cero de la tensión de red, característica común a todos los dispositivos X-10,
tiene una doble finalidad: la primera es sincronizar a los transmisores y receptores, ya
que la única conexión física que existe entre ellos es la línea de red, la segunda es
debida a que el nivel mínimo de interferencias producidas por otros equipos eléctricos
se produce cuando la señal de red pasa por cero.
La transmisión de un “1” lógico se representa como un pulso de 120 Khz. con
una duración de 1 milisegundo, mientras que la transmisión del “0” lógico se representa
con ausencia del mismo. En un sistema trifásico estos pulsos de 1 ms se transmiten tres
veces en un semiperiodo de la señal de red para que coincidan con el paso por cero en
las tres fases.
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Figura 4.2: Transmisión de 1 bit
Por lo tanto, el Tiempo de Bit coincide con los 20 msg que dura el ciclo de la
señal, de forma que la velocidad binaria de 50 bps viene impuesta por la frecuencia de
la red eléctrica que tenemos en Europa.
4.2.2 FORMATO DEL DATAGRAMA X10
La transmisión completa de una orden X-10 (PDU) necesita once ciclos de
corriente y se divide en tres campos de información:
Figura 4.3: Datagrama X10
Los dos primeros ciclos representan el Código de Inicio; los cuatro siguientes, el
Código de Casa y los 5 restantes, dependiendo de la información que se desea enviar, el
Código de Unidad o el Código de Función.
La Tabla 1 muestra los posibles valores de los códigos de casa y control.
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Tabla 4.1: (a) Valores de códigos de casa. (b) y (c) Códigos de control para unidad y para
comandos. Nota: (1) (2) (3) Se verán más adelante.
Cuando se transmite el código de la Tabla, se utilizan dos pasos por cero para
transmitir cada bit como una pareja de bits complementarios (en otras palabras, un cero
se representa por 0-1 y un uno es representado por 1-0 según se muestra en la Figura:
Figura 4.4: Transmisión de 1 y 0 lógicos
El contenido de los campos de la PDU X.10 es:
Código de inicio. Siempre es 1110, se trata de un código único y sólo él no
cumple la condición de complementariedad a 1 en los medios ciclos de la corriente. De
esta forma los receptores esperan que después de este código se envíe la información de
la dirección y función correspondiente que se desea ejecutar.
Figura 4.5: Código de comienzo (1110)
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Código de casa. Está formado por 4 bits (16 códigos diferentes) que
simbólicamente se representa por una letra (A-P).
Código de unidad o un código de función. Después del código de casa se envía
un código de 5 bits que indica el código de unidad (4 bits) o el código que representa la
orden que debe ejecutar el receptor (4 bits). El quinto bit (D16) indica cuál de los dos
códigos anteriores se está enviando: “0” indica que es un código de unidad y un “1”
indica códigos de función.
Figura 4.6: Ejemplo de transmisión del código A2
Debido a las características del medio de transmisión utilizado se transmite dos
veces cada uno de estos bloques de información para conseguir una mayor fiabilidad.
Además, cada par de bloques de información debe estar precedido por seis pasos por
cero (tres ciclos de red). Este tiempo de espera es necesario para que el receptor procese
los datos de dirección recibidos.
Figura 4.7: PDU´s X10 en la línea eléctrica
Una vez que el receptor ha procesado sus datos de dirección, está listo para
recibir una orden de comando. Al igual que se había hecho al enviar la dirección, el
bloque de datos del comando debe empezar por el código de comienzo, seguido del
código de la letra y el código de control, finalmente irá el sufijo, teniendo que ser en
este caso igual a 1 para que el código de control sea interpretado como un comando.
En la figura se muestran los ciclos totales de una transmisión completa.
Figura 4.8: Ciclos para transmisión completa en X10
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Cada once ciclos de red se transmite un bloque de datos, y una transmisión
estándar X-10 normal necesita 47 ciclos de la señal de red. A una frecuencia de 50 Hz
esto supone un tiempo igual a 0,94 segundos en transmitir una orden completa.
Ejemplo: Para “Encender” un modulo X-10 configurado con el código casa A,
unidad 2, el transmisor deberá enviar las siguientes cadenas de datos por la línea de red:
4.2.3 COMANDOS Y FUNCIONES
El código de función transmitida por el emisor representa la orden que debe
ejecutar el módulo receptor y que genéricamente denominaremos comando X-10.
Inicialmente el estándar X-10 implementaba los siguientes comandos básicos:
•
Encendido (On).
•
Apagado (Off).
•
Reducir (Dim).
•
Aumentar (Bright).
•
Todo apagado (All units off).
•
Encender todas las luces (All light on).
Estos comandos se han ampliado con las funciones siguientes soportados por los
componentes OEM (Original Equipment Manufacturer).
•
Apagar todas las luces (All light off).
•
Código extendido (Extended code).
•
Petición de saludo (Hail Request).
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•
Reconocimiento o Aceptación de saludo (Hail Acknowledge).
•
Atenuación Preestablecida (Pre-Set dim).
•
Datos extendidos (analógicos).
•
Estado = ON (Status=On).
•
Estado = OFF (Status=Off).
•
Petición de estado (Status Request).
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Estos comandos permiten realizar las siguientes funciones:
• Funciones de conexión/desconexión. Mediante los códigos Encender (ON) y
Apagar (OFF) permiten realizar funciones de conexión y desconexión de cargas.
• Funciones globales. Permiten actuar de forma general sobre las cargas que tienen un
mismo número de casa, pero que pueden tener un código de unidad diferente. Son:
Apagar todas las unidades (All Units OFF): permite desconectar todos los
equipos que tienen asociados el mismo código de casa.
Encender todas las luces (All light ON): se encienden todas las lámparas
conectadas a los componentes de control de iluminación pero no los
aparatos ya que estos no reconocen la función.
Apagar todas las luces (All light OFF): permite realizar la desconexión de
todas las lámparas que tienen asociado un mismo código de casa.
• Funciones de regulación. Mediante los comandos Reducir (Dim) y Aumentar
(Brigt) permiten realizar funciones de regulación. El margen de regulación se establece
con el comando Atenuación Preestablecida (Pre Set Dim).
• Petición de saludo (Hail Request). Se transmite para ver si existen otros
transmisores X-10 dentro del rango de escucha. Esto permite a un dispositivo OEM
asignar un Código de Casa diferente si se recibe una Aceptación de Saludo (Hail
Acknowledge).
• Petición de Estado (Status Request). Permite preguntar al módulo deseado en que
estado se encuentra. El módulo preguntado contesta con el comando Status=On o
Status=OFF en función de si la carga que controla está conectada o desconectada.
• Datos extendidos (Extended Data). El código de Datos Extendidos se sigue de
bytes que pueden representar información analógica (después de una conversión A/D).
No debe haber separación entre los bytes de datos, ni entre el código de Datos
Extendidos y datos reales. El primer byte se puede utilizar para indicar cuántos bytes de
información le seguirán.
• Código extendido (Extended Code). Después de la transmisión del código
“Extended Code” se transmiten ocho nuevos bits que indican un código adicional, que
permite al sistema introducir hasta 256 códigos nuevos para realizar nuevas funciones.
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4.3 COMPONENTES X10
La principal clasificación de los componentes X-10 se realiza según el tipo de
función que cumplen dentro del sistema de corrientes portadoras:
Módulos emisores, que son equipos capaces de emitir órdenes X-10 hasta a 256
dispositivos sobre el cableado eléctrico.
Módulos receptores, que son capaces de leer el código de datos X-10 presente en
la red eléctrica, comprobar que va dirigido a él y ejecutar la orden
correspondiente.
Módulos bidireccionales, que tienen la capacidad de responder y confirmar la
correcta realización de una orden, lo cual puede resultar muy útil cuando el
sistema X-10 está conectado a un programa de ordenador que muestra los estados
en que se encuentra la instalación domótica de la vivienda.
Módulos inalámbricos, permiten conectarse a través de una antena y enviar
señales de radio desde una unidad inalámbrica e inyectar la señal X-10 en el
cableado eléctrico. Estas unidades no están habilitadas para controlar directamente
a un receptor X-10, debe utilizarse un transceptor.
Módulos transceptores, que se conectan a la red eléctrica para recibir las señales
de radiofrecuencia emitidas por los emisores e introducirlas en la red eléctrica.
Módulos de sistema, que son dispositivos que básicamente garantizan el correcto
funcionamiento de la instalación.
Otra forma general de clasificación de los componentes X-10 se realiza en
función del tipo de instalación de estos componentes:
Módulo para montaje sobre carril DIN. Estos componentes están diseñados para
su utilización en cuadros eléctricos mediante el montaje sobre carril DIN.
Módulos para empotrar. Son mecanismos que van instalados en cajas de
mecanismo estándar y que sustituyen a los mecanismos convencionales.
Módulos de enchufe. Son módulos diseñados para su conexión directa en una
toma de corriente estándar.
Módulos de sobremesa. Los módulos de sobremesa se conectan directamente a la
red eléctrica no siendo necesario ningún tipo de instalación específica.
4.3.1 MÓDULOS EMISORES
Comúnmente denominados controladores. Abarcan desde pequeñas bases para la
conexión de pulsadores a sofisticados dispositivos que permiten la programación de
funciones complejas, mediante software específico ejecutado en PC, que se guardan en
el controlador. En general se pueden definir como cualquier dispositivo capaz de enviar
comandos X-10 a través de la línea de potencia.
Figura 4.9: Controladores X10
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Los principales emisores X-10 son:
Teclados (Keypads). Generalmente disponen de 1, 2 ó 4 teclas que permiten
realizar las funciones típicas de encendido, apagado y regulación.
Módulo universal. También denominado módulo adaptador de alarmas,
transmite una información binaria procedente de un contacto exterior que permite,
mediante la conversión a un código X-10, controlar un dispositivo X-10 en combinación
con un detector externo convencional.
Controladores específicos o programadores. El sistema X-10 dispone de
infinidad de dispositivos programables que permiten controlar un número determinado
de módulos dependiendo del controlador utilizado. También, dependiendo del
controlador, la programación puede realizarse de forma local o desde PC mediante
software específico que permite grabar la programación en la memoria EEPROM del
controlador, por lo que no es necesaria la conexión permanente del ordenador una vez
programado el sistema.
Centrales de Gestión Domótica. Permiten la gestión técnica del sistema a
través de contactos de entradas para la conexión de diferentes sensores (pulsadores,
detectores de movimiento, etc.) y contactos de salida para la conexión de actuadores
(sirenas, alarmas, etc.), además de permitir el control de la instalación mediante el
sistema de corrientes portadoras.
4.3.2 MÓDULOS RECEPTORES
Los receptores X-10 o módulos de activación, son dispositivos conectados a la
red eléctrica y al elemento que queremos controlar. Son capaces de leer el código de
datos X-10 que va dirigido a ellos y ejecutar la orden recibida una vez descifrado el
código de función.
Vienen dotados de dos pequeños conmutadores giratorios, uno con 16 letras y el
otro con 16 números, que permiten asignar una dirección de las 256 posibles. En una
misma instalación puede haber varios receptores configurados con la misma dirección,
de modo que todos realizarán la función preasignada cuando un transmisor envíe una
trama con esa dirección. Cualquier dispositivo receptor puede recibir órdenes de
diferentes transmisores.
Figura 4.10: Receptores X10
Figura 4.11: Códigos X10
La principal característica que los diferencia es el tipo de carga que pueden
controlar, siendo común la diferenciación de dos tipos de dispositivos:
Módulos para aparato (appliance module). Receptor de señales X-10 que
permite el control de cargas mediante salida relé tales como luces, radios, ventiladores,
acondicionadores de aire, según la carga máxima capaz de soportar. Responde a los
controles ON (Encender), OFF (Apagar) y ALL UNITS OFF (Apagar Todas las
Unidades).
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Módulos para lámpara (lamp module). Receptor de señales X-10 diseñado
para el control de lámparas ya que además de responder a los controles ON, OFF y ALL
UNITS OFF, permite realizar las funciones de regulación, BRIGHT (Aumentar
Intensidad) y reducir DIM (Atenuar Intensidad, y responde a los comandos ALL
LIGHT ON (Encender Todas las Luces) y ALL LIGHT OFF (Apagar Todas las Luces).
Módulos universales. Receptores que permiten el control de aparatos de bajo
voltaje o contactos sin tensión mediante un relé. Su utilización más extendida es en la
gestión de sistemas de alarma para la conexión de electroválvulas de pequeña tensión.
Cada uno de los módulos receptores descritos se puede encontrar instalado de
varias formas. En función del tipo de instalación se pueden clasificar en:
•
Módulos de enchufe (Plug-In).
•
Interruptores de pared (Wall Swicth)
•
Módulo carril DIN.
•
Controladores multicanal que permiten la gestión de diferentes relés,
uno por canal.
4.3.3 MÓDULOS BIDIRECCIONALES
Son, principalmente:
Interfaces. Las interfaces son dispositivos que permiten la conexión con un
ordenador personal, productos X-10 de otros fabricantes (OEM) y otros sistemas de
seguridad.
4.3.4 MÓDULOS INALÁMBRICOS
Se clasifican en:
Mandos remotos. Permiten que el control de los módulos de activación se
efectúe de forma manual con un elemento que no tenga que estar conectado a la red
eléctrica. Envían las señales de control a través del aire, por radiofrecuencia (433 Mhz).
Sensores por radiofrecuencia. A veces es necesario situar un sensor en algún
lugar donde no es accesible una toma eléctrica, para resolver algunas aplicaciones
concretas. Transmiten las señales de control por radiofrecuencia (433 Mhz).
4.3.5 MÓDULOS TRANSCEPTORES
Como hemos visto, los módulos de activación necesitan que las órdenes de
control les lleguen por la red eléctrica. En el caso de los transmisores de
radiofrecuencia, la señal de control que emiten es transmitida por el aire, por lo que para
que esta señal sea introducida por la red eléctrica es necesario conectar unos módulos en
la vivienda que se conectan a la red eléctrica y cuya función principal es la de recibir las
señales de radiofrecuencia emitidas por los emisores e introducirlas en la red eléctrica.
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Figura 4.12: Transceptores X-10
También integran un módulo de aplicación que permite encender y apagar un
aparato sin necesidad de instalar otro módulo de activación.
Figura 4.13: Móduloo de aplicación integrado en un transceptor X-10
4.3.6 MÓDULOS DE SISTEMA
Los módulos de sistema (también llamados componentes de sistema) son
dispositivos que garantizan el correcto funcionamiento de la instalación, entre ellos
podemos encontrar:
Filtros. En los sistemas de corrientes portadoras, los datos de información se
transmiten a la red eléctrica mediante pulsos de pequeña tensión que quedan
superpuesta a ésta. Por lo tanto, es fácil intuir que cualquier interferencia o ruido que se
añade a la línea eléctrica puede interferir en los mensajes de información, provocando
errores en la transmisión. Por lo tanto, se recomienda la utilización de filtros que
amortigüen las posibles interferencias.
Acopladores. Permiten que elementos conectados a distintas fases en
instalaciones trifásicas puedan comunicarse sin problemas.
Equipos de medida. Los equipos de medida son dispositivos que permiten
comprobar el diseño y la puesta en marcha de una instalación basada en corrientes
portadoras. Básicamente son dos los elementos necesarios para la puesta a punto de una
instalación: un emisor que envía continuamente comandos X-10 a través de la
instalación eléctrica y un equipo medidor que recibe estos comandos X-10. De esta
forma, el instalador puede comprobar la integridad de los mensajes transmitidos por la
red eléctrica.
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