Diseño y desarrollo del primer prototipo de unidad remota de control

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
DISEÑO Y DESARROLLO DEL PRIMER PROTOTIPO DE UNIDAD
REMOTA DE CONTROL PARA LA INTEGRACION Y
AUTOMATIZACION DE EDIFICACIONES
Por
Juan Andrés Perera Valero
Realizado con la Asesoría de:
Prof. Cristhian de Castro
Ing. Elio Cesar Burguera
Informe Final de Cursos en Cooperación Técnica y Desarrollo Social
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
Como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico
Sartenejas, enero de 2007
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
DISEÑO Y DESARROLLO DEL PRIMER PROTOTIPO DE UNIDAD
REMOTA DE CONTROL PARA LA INTEGRACION Y
AUTOMATIZACION DE EDIFICACIONES
Por
Juan Andrés Perera Valero
Sartenejas, Enero de 2007
ii
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
DISEÑO Y DESARROLLO DEL PRIMER PROTOTIPO DE UNIDAD
REMOTA DE CONTROL PARA LA INTEGRACION Y
AUTOMATIZACION DE EDIFICACIONES
Informe Final de Cursos en Cooperación Técnica y Desarrollo Social
Presentado por:
Juan Andrés Perera
Realizado con la Asesoría de:
Prof. Cristhian de Castro
Ing. Elio Cesar Burguera
RESUMEN
El propósito de este proyecto es el diseño de un prototipo de Unidad Remota de
Control, de bajo costo y tamaño reducido, la cual será utilizada en los proyectos de
automatización de edificios contratados por la empresa Electbus Corporation. El
proyecto en sí consistió entonces en el diseño e implementación de dos tipos diferentes
de RCU, una maestra y una esclava, conectadas entre si a través de un cable paralelo,
vínculo de comunicación entre ambas remotas. Por lo tanto, una red de automatización
que utilice estos nuevos dispositivos estará formada por una RCU maestra, y hasta un
máximo de 250 esclavas por red, y se interconectará con los computadores de
supervisión del sistema de automatización de los edificios mediante un cable de
comunicación serial, el cual enviara ordenes a la RCU maestra la cual interpretara estas
órdenes y las enviara a través del cable paralelo a las remotas esclavas, quienes actuaran
entonces sobre sus entradas y salidas de acuerdo a las instrucciones recibidas.
Con estos nuevos equipos de tamaño reducido, y un numero limitado y pequeño
de entradas y salidas, la empresa busca cambiar la topología de los sistemas de
automatización utilizados anteriormente, en donde todos los equipos de un edificio eran
controlados desde una sola unidad de procesamiento, por una nueva topología
descentralizada en la cual se distribuirían estas unidades por todo el edificio, las cuales
se encargarían de controlar y monitorear los equipos asociadas a ellas.
PALABRAS CLAVE
Automatización, Unidad Remota de Control, Edificios Inteligentes, LMI, Electbus, RCU
maestra, RCU esclava.
iii
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a mis papás, Gonzalo y Florani; por creer en mí y por ser la
razón de mi existir. Por ser la mejor guía y ejemplo a seguir. Por ser los padres que cualquiera
quisiera tener, y por darme las bases para afrontar todos los retos que se me presenten en la vida.
Por y para ustedes!
A mis queridos abuelos, por haberme enseñado con vivos ejemplos que no hay nada más
importante y valioso en la vida que la familia, y por su cariño, enseñanza y apoyo incondicional.
A mis hermanos, Vanessa y Eduardo, por todo el apoyo moral, por acompañarme siempre
y por formar parte de las mejores experiencias de mi vida.
Al profesor Cristhian de Castro, quien siempre mostró su apoyo en este proyecto,
facilitando enormemente su desarrollo y guiando mi camino para concluirlo.
A Elio Burguera, quien no sólo fue un tutor sino un gran apoyo que nunca perdió la
oportunidad de darme un consejo.
A la Universidad Simón Bolívar, casa de estudios que ha quedado sembrada en mí y a la
cual espero poder abonar algo de lo que me ha dado en el transcurrir de los años.
A Dios, por cada segundo de felicidad que me ha regalado durante estos 23 años de vida.
Por ser una fuente inagotable de inspiración, y por ser la luz que me guía y me protege siempre.
A todos aquellos que de una u otra forma, han contribuido a que mi vida hasta el
momento haya sido tan maravillosa y especial
.
iv
AGRADECIMIENTOS
A todas las personas con las que trabajé en Electbus, a José, Jacky, Miguel, Elisa, Betza,
Eglis y Jesse y a las otras personas con las que trabajé en las diferentes obras en las que estuve,
por todo el apoyo, la confianza y la paciencia; y por darme la oportunidad de aprender tanto, de
profesionales tan destacados y de personas con una calidad humana inigualable. Gracias por
hacer tan especial e indescriptible mi primera experiencia laboral.
A mi tutor, el Sr. Elio, por todas las cosas que aprendí, todo el apoyo brindado, la
paciencia y sabios consejos. Gracias por el tiempo dedicado a ayudarme.
A mi tutor Cristhian, gracias por haber aceptado ser mi tutor de pasantía, por la
dedicación, buenos consejos y apoyo incondicional.
A mis amigas y amigos, mi tesoro más valioso. No me alcanzan las palabras para
expresarles mi agradecimiento por todos los maravillosos momentos que he vivido junto a
ustedes, y por todos los años indescriptibles de amistad. Gracias por estar siempre ahí, por
convertirse en una extensión de mi familia, y por hacer que cada día la vida tenga un mejor
sentido.
v
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN..............................................................................................................................................................ii
DEDICATORIA.....................................................................................................................................................iii
AGRADECIMIENTOS.......................................................................................................................................... iv
ÍNDICE GENERAL................................................................................................................................................ v
ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................................viii
ÍNDICE DE TABLAS............................................................................................................................................. x
GLOSARIO DE ACRÓNIMOS Y SÍMBOLOS.................................................................................................... xi
1 CAPÍTULO I – INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................................................. 1
1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ...................................................................................................... 2
1.3 LA EMPRESA: ELECTBUS CORPORATION ................................................................................... 4
Misión:.................................................................................................................................................. 5
Visión:................................................................................................................................................... 5
Electrobarras: ...................................................................................................................................... 6
Tableros y Subestaciones: ................................................................................................................... 7
Integración de sistemas:...................................................................................................................... 7
Gerencia de Energía:........................................................................................................................... 7
1.3.1 La Gerencia de Automatización: ................................................................................................ 8
1.4 ESTRUCTURA DEL INFORME DE PASANTÍA .............................................................................. 9
2 CAPÍTULO II- MARCO TEÓRICO................................................................................................................. 11
2.1 TOPOLOGIAS DE SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN COMERCIAL Y RESIDENCIAL....... 12
2.1.1 Centralizado:............................................................................................................................. 12
2.1.2 Descentralizado:........................................................................................................................ 12
2.1.3 Semi Centralizado:.................................................................................................................... 13
2.2 REDES DE AUTOMATIZACIÓN COMERCIAL Y RESIDENCIAL.............................................. 14
2.2.1 Fibra Óptica: ............................................................................................................................. 15
2.2.2 Ethernet:.................................................................................................................................... 15
2.2.3 RS – 232: .................................................................................................................................. 16
2.2.4 RS - 485: ................................................................................................................................... 17
2.3 PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN............................................................................................... 18
2.3.1 BACnet: .................................................................................................................................... 23
2.3.2 DNP3: ....................................................................................................................................... 24
2.3.3 EIB, European Installation Bus:................................................................................................ 25
2.3.4 LonWorks: ................................................................................................................................ 25
vi
2.3.5 Modbus: .................................................................................................................................... 26
2.3.6 OPC – OLE for Process Control:.............................................................................................. 26
2.3.7 X10 – Protocolo Residencial: ................................................................................................... 27
2.4 CONCEPTOS BÁSICOS .................................................................................................................... 27
2.4.1 PLC:.......................................................................................................................................... 27
2.4.2 RTU: ......................................................................................................................................... 29
2.4.3 Relés (Relays):.......................................................................................................................... 30
2.4.4 Optoacopladores: ...................................................................................................................... 30
2.4.5 Contactor: ................................................................................................................................. 31
3 CAPÍTULO III- UNIDAD REMOTA DE CONTROL: CONSIDERACIONES DE DISEÑO........................ 32
3.1 ANTECEDENTES .............................................................................................................................. 32
3.1.1 La Automatización en Electbus ................................................................................................ 32
3.2 CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO DE LA UNIDAD REMOTA DE CONTROL .......................... 36
4 CAPÍTULO IV- UNIDAD REMOTA DE CONTROL: IMPLEMENTACIÓN............................................... 41
4.1 DOCUMENTACIÓN Y CONOCIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN ........ 41
4.2 LA NUEVA RCU................................................................................................................................ 45
4.2.1 RCU Esclava: Primer prototipo ................................................................................................ 46
•
Alimentación....................................................................................................................... 47
•
Direccionamiento ............................................................................................................... 48
•
Entradas.............................................................................................................................. 49
•
Salidas ................................................................................................................................. 50
4.2.2 RCU Maestra: Primer prototipo................................................................................................ 51
•
Comunicación: Serial:.......................................................................................................... 52
•
Arranque ................................................................................................................................. 53
•
Dirección.................................................................................................................................. 53
•
Función .................................................................................................................................... 54
•
Datos ........................................................................................................................................ 54
•
Comprobación de Error ......................................................................................................... 54
4.2.3 RCU Esclava: Segundo prototipo ............................................................................................. 56
4.2.4 RCU Maestra: Segundo prototipo............................................................................................. 59
5 CAPÍTULO V – UNIDAD REMOTA DE CONTROL: RESULTADOS ........................................................ 62
5.1 RESULTADOS Y PRUEBAS REALIZADAS .................................................................................. 62
5.2 ANÁLISIS DE COSTOS .................................................................................................................... 63
5.2.1 RCU Esclava: Primer Prototipo ................................................................................................ 63
5.2.2 RCU Maestra: Primer prototipo................................................................................................ 64
5.2.3 RCU Esclava: Segundo prototipo ............................................................................................. 65
5.2.4 RCU Maestra: Segundo prototipo............................................................................................. 66
vii
6 CAPÍTULO VI - CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..................................................................... 68
6.1 CONCLUSIONES............................................................................................................................... 68
6.2 RECOMENDACIONES ..................................................................................................................... 70
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................................................................. 72
ANEXOS............................................................................................................................................................... 74
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Organigrama de la empresa Electbus Corporation, se destaca la Gerencia de Automatización y el área de
Investigación y Desarrollo......................................................................................................................................8
Figura 2: Esquema de conexión de un sistema de automatización centralizado...........................................................12
Figura 3: Esquema de conexión de una red totalmente descentralizada......................................................................13
Figura 4: Esquema de conexión de una red de automatización semi centralizada ......................................................14
Figura 5: Funcionamiento de la fibra óptica................................................................................................................15
Figura 6: Conexión de un DTE con un DCE...............................................................................................................17
Figura 7: Circuito de conexión entre un bombillo y un interruptor .............................................................................28
Figura 8: Circuito de bombillo e interruptor con PLC en el medio .............................................................................28
Figura 9: Circuito esquemático de un Opto acoplador .................................................................................................31
Figura 10: Esquema de conexión de los primeras sistemas de automatización de Electbus .......................................33
Figura 11: Estructura jerárquica de dos niveles en los nuevos sistemas de automatización propuestos por Electbus
Corporation...........................................................................................................................................................35
Figura 12: Esquema de funcionamiento de en los nuevos sistemas de automatización propuestos por Electbus
Corporation...........................................................................................................................................................36
Figura 13: Apariencia de un Conector RJ 11 de 6 pelos o contactos...........................................................................38
Figura 14: Apariencia de un Dip Switch de 8 posiciones...........................................................................................39
Figura 15: Apariencia de un Relé tipo Latch y su salida para una entrada tipo pulso.................................................39
Figura 16: Diagrama de instalacion de RTU para el monitoreo del uso del aire acondicionado.................................42
Figura 17: Diagrama de los PLC utilizados en el centro comercial en Las Mercedes.................................................44
Figura 18: Diagrama de cableado de equipos en centro comercial en Las Mercedes..................................................45
Figura 19: Diagrama de bloques del primer prototipo de RCU esclava ......................................................................46
Figura 20: Sub circuito de alimentación de la RCU esclava .......................................................................................47
Figura 21: Sub circuito de direccionamiento...............................................................................................................49
Figura 22: Subcircuito de entradas del RCU ................................................................................................................50
Figura 23: Subcircuito de salidas del RCU..................................................................................................................51
Figura 24: Diagrama de bloques de la RCU esclava ...................................................................................................52
Figura 25: Diseño del subcircuito de la RCU maestra.................................................................................................52
Figura 26: Trama de datos de MODBUS RTU ...........................................................................................................53
Figura 27: Diagrama de Flujo del programa principal de la RCU Maestra .................................................................55
Figura 28: Diagrama de Flujo de la rutina de Interrupción por Buffer de Entrada Full ..............................................55
Figura 29: Diagrama de bloques del segundo prototipo de RCU esclava ...................................................................56
Figura 30: Bloque de Salidas del segundo prototipo de RCU esclavo ........................................................................57
ix
Figura 31: a) Capa superior del PCB del segundo prototipo de la RCU esclava. b) Capa inferior del PCB del
segundo prototipo de la RCU esclava...................................................................................................................58
Figura 32: Diseño de la carcasa protectora de la RCU esclava ...................................................................................59
Figura 33: Circuito del segundo prototipo de la RCU Maestra ...................................................................................60
Figura 34: a) Capa superior del PCB del segundo prototipo de la RCU maestra. b) Capa inferior del PCB del
segundo prototipo de la RCU maestra. .................................................................................................................61
Figura 35: Diseño de la carcasa protectora de la RCU maestra...................................................................................61
x
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Protocolos de control en tiempo real mas comunes.......................................................................................23
Tabla 2: Tabla de costos del primer prototipo de la RCU Esclava ..............................................................................63
Tabla 3: Tabla de costos del primer prototipo de la RCU Esclava ..............................................................................64
Tabla 4: Tabla de costos del segundo prototipo de la RCU Esclava ...........................................................................65
Tabla 5: Tabla de costos del segundo prototipo de la RCU Maestra...........................................................................66
xi
GLOSARIO DE ACRÓNIMOS Y SÍMBOLOS
Ω: Ohms.
μ: Micro.
AC: Alternating Current. Corriente Alterna.
ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aires Acondicionados.
DC: Direct Current. Corriente Directa o Corriente Continua.
DCE: Data Communication Equipment. Equipo de Comunicación de datos.
DTE: Data Terminal Equipment. Equipo Terminal de Datos.
DNP3: Distributed Network Protocol. Protocolo de Red Distribuida.
EIB: European Installation BUS. Bus Europeo de Instalación.
FTP: File Transfer Protocol. Protocolo de Transferencia de Archivos.
HTML: HyperText Markup Language. Lenguaje de Marcas Hipertextuales.
HTTP: HyperText Transfer Protocol. Protocolo de Transferencia de Hipertexto.
I/O: Inputs / Outputs. Entradas / Salidas.
IBI: Intelligent Building Institute. Instituto de Edificaciones Inteligentes.
IEC: International Electrotechnical Commission. Comisión Internacional de Electrotecnia.
IED: Intelligent Electronic Device. Dispositivo Electronico Inteligente.
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers. Instituto de Ingenieros Eléctricos y
Electrónicos.
IP: Internet Protocol. Protocolo de Internet.
LAN: Local Area Network. Red de Área Local.
LED: Light Emisión Diode. Diodo de Emisión de Luz.
LMI: Local Module Interface. Modulo de Interfaz Local.
xii
OPC: OLE for Process Control. OLE para Control de Procesos.
OSI: Open System Interconnection. Interconexión de sistemas abiertos.
PCB: Printed Circuit Board. Tarjeta de Circuito Impreso.
PLC: Programmable Logia Controller. Controlador Lógico Programable.
RCU: Remote Control Unit. Unidad Remota de Control.
RTU: Remote Terminal Unit. Unidad Terminal Remota.
SCADA: Supervisory Control And Data Adquisition. Control Supervisorio y Adquisición de
Data.
SMTP: Simple Mail Transfer Protocol. Protocolo Simple de Transferencia de Correo
Electronico.
TCP: Transmission Control Protocol. Protocolo de Control de Transmisión.
TTL: Transistor – Transistor Logia. Lógica Transistor a Transistor.
UDP: User Datagram Protocol. Protocolo de Datagrama de Usuarios.
UMA: Unidad Manejadora de Aire o Unidad de Manejo de Aire.
VAC: Volts Alternating Current. Voltios de Corriente Alterna.
VDC: Volts Direct Current. Voltios de Corriente Directa.
XML: Extensible Markup Language. Lenguaje de Marcas Extensible.
1
CAPÍTULO I – INTRODUCCIÓN
En este primer capitulo, se presenta una introducción sobre este proyecto de grado el cual
consistirá en el desarrollo del primer prototipo de una Unidad Remota de Control, la cual será
utilizada en los proyectos de automatización contratados por la empresa Electbus Corporation. En
este capitulo se presentara el planteamiento del tema referente al proyecto, una descripción del
mismo y de la empresa donde fue desarrollado el proyecto, así como una explicación de la
estructura de este informe.
1.1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Desde hace algún tiempo, en el campo de las construcciones tanto comerciales como
residenciales e industriales se ha estado utilizando el término de edificaciones o edificios
inteligentes para referirse a aquellas edificaciones que, según Pardo García y Pulido Álvarez
“utilizan los avances tecnológicos de la informática, la automatización y las comunicaciones en
función de garantizar el máximo confort y seguridad de sus moradores, a la vez que se logra un
uso eficiente y racional de los portadores energéticos”. [1]
Los acelerados avances tecnológicos, la masificación de la microelectrónica y la
integración de la informática y las comunicaciones, han permitido la aplicación e inclusión de
complejos y, anteriormente muy costosos sistemas de automatización y control industrial, al
mundo cotidiano de la construcción de edificios y de desarrollos inmobiliarios. El término de
edificio inteligente, originalmente utilizado para describir los sistemas de cableado estructurado,
empleados en la optimización de la red de comunicaciones de usuarios múltiples, actualmente
abarca un horizonte mas extenso, pero cuya definición y objetivo es más preciso. Hoy en día, más
que un término es un concepto focalizado al ahorro de energía, mayor seguridad y eficiencia de
operación de los diferentes sistemas y equipos electromecánicos de un edificio; es decir, el
control integrado de estos sistemas y equipos para así lograr una administración eficiente de la
energía, la reducción al máximo de los costos de operación y mantenimiento, y un
funcionamiento armónico en su gestión cotidiana.
2
Aún cuando este es un concepto simple y que propone numerosas ventajas, el mismo no
se ha difundido a gran velocidad, en gran parte debido a que los diversos subsistemas de una
edificación, como pueden ser el sistema de iluminación, control de accesos, climatización y el
sistema antifuego, son generalmente suplidos por diferentes fabricantes y contratistas, los cuales
utilizan aisladamente sus propias tecnologías para el control, monitoreo y automatización de sus
equipos y sistemas, las cuales, aún cuando presentan funciones de comunicación en integración,
el resultado final no es mas que un conjunto de eficientes tecnologías y sistemas trabajando
individualmente, pero sin la sinergia que puede obtenerse de una óptima operación integrada.
Una de las áreas a las que se dedica la empresa Electbus Corporation es precisamente, a
ésta automatización e integración de sistemas para edificios inteligentes que hemos descrito
anteriormente. Esta integración o automatización se puede lograr de dos formas: bien sea
mediante la instalación de un PLC o RTU central, el cual se encargará de encender, apagar o
monitorear todos aquellos sistemas que estén conectados a él, mediante unos cables de control
que deben ir desde el sitio donde este ubicado el equipo a ser controlado, hasta el sitio donde se
localice el PLC o RTU según sea el caso; por otra parte, la otra forma de lograr esta
automatización, es mediante la distribución de Unidades de Control de tamaño reducido a lo
largo de toda la edificación, las cuales estarán conectadas entre sí mediante un cable de
comunicaciones, y a su vez, a una unidad central la cual se encargará de la integración de todas
ellas. Estas RTUs, se instalarán en las cercanías de los equipos asociados a ellas, ahorrando así el
trabajo y el costo asociado al cableado de control, y se encargarán de controlar o monitorear un
reducido número de equipos o circuitos siguiendo siempre las órdenes que provengan de la
unidad central.
1.2
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
El concepto de Unidad Remota de Control (RCU, por sus siglas en inglés), es difundido
por la empresa Electbus y se refiere a un dispositivo diseñado para el monitoreo y control de
equipos electromecánicos, y la adquisición de data referente al estado de diversos subsistemas o
equipos. Estas unidades serán de uso especifico para la función y equipo al que hayan sido
destinados, y estarán conectados a la red local independiente de cada zona o piso de la edificación
a ser automatizada, pero a su vez deben estar integradas a la red principal. Cabe destacar, que
3
inicialmente existirán dos tipos de RCU, las RCU esclavas y las RCU maestras. La primera de
ellas, las RCU esclavas, serán unidades cuya función única es la de obedecer las órdenes
recibidas, bien sean de lectura o escritura y aplicarlas en sus entradas y salidas. Por otra parte, la
RCU maestra estará conformada por los mismos componentes que una esclava, de forma de
poder cumplir las funciones inherentes a ese tipo de RCU, pero con la ventaja de poder
comunicarse, a través de un microcontrolador con los equipos e interfaces que gobernaran la red
de automatización. Es importante señalar, que en cada red de RCU se podrán instalar o
interconectar hasta un máximo de 254 de estos dispositivos, incluida la RCU maestra.
Este proyecto persigue el desarrollo del primer prototipo de cada uno de estos tipos de
RCU. Este prototipo debe ser una unidad robusta, soldada y cubierta por lo que sería la carcasa
protectora de la misma, y debe ser entregada de forma que se le pueda aplicar posteriormente el
protocolo de pruebas previamente diseñado para comprobar su correcto funcionamiento y pasar
así a la fase de producción de las mismas. La comunicación entre estas unidades será punto a
punto entre la unidad maestra y las unidades esclavas a través de un cable paralelo, en el cual irá
un BUS de ocho bits por el cual viajará tanto la información de activación y desactivación de
salidas, así como la data referente a la dirección de la RCU con la cual se desea trabajar, y el
estado de las entradas y salidas de dicha remota, como también se le llama a las Unidades
Remotas de Control. Por otra parte, la comunicación entre la RCU maestra, y la interfaz o
computador central encargado de gobernar el sistema en general, se realizará de forma serial,
empleando las normas RS-485 y el protocolo de comunicación MODBUS - RTU. De esta forma,
una vez instalada la red de automatización, existirá una unidad maestra, que recibirá órdenes en
forma serial, y que se encargará de “traducir” estas órdenes para poder enviarlas, a través del
cable paralelo y utilizando un protocolo creado por la compañía para este fin, con las diferentes
RCU esclavas conectadas a la red.
El objetivo de esta configuración para las unidades a ser diseñadas, se debe
principalmente a la visión de la empresa de disminuir al máximo la complejidad de las mismas de
forma de ahorrar la mayor cantidad de dinero tanto en su manufactura inicial, como en caso de
que sea necesaria alguna reparación, y facilitar de esta forma tanto la instalación de las mismas en
lo que sería su ubicación dentro de la obra, así como el uso de ellas por parte del cliente o usuario
4
final, lo que se traduce automáticamente en una disminución de los costos y un aumento del valor
del equipo.
En general, el alcance de este proyecto llega hasta el diseño y desarrollo del primer
prototipo tanto de la RCU maestra, como de la RCU esclava, ya lista y programada, entregada en
forma de circuito impreso, soldada y lista para la realización de las pruebas pertinentes.
Asimismo, es parte de este proyecto de grado, el diseño de ergonomía de la carcaza que protegerá
y cubrirá permanentemente a cada una de estas unidades, el cual no necesariamente deberá ser
entregado físicamente debido a las limitaciones de tiempo que se puedan presentar. Cada una las
unidades remotas esclavas a ser diseñadas dentro de este proyecto, debe ser capaz de prender o
apagar un circuito o equipo conectado a ellas, a través de un relé de posición permanente (Latch
Relay).
Se espera que este proyecto tenga un impacto importante en el aumento de contrataciones
de la empresa para proyectos de automatización, ya que con la instalación de estas remotas será
posible lograr el control remoto de la red de iluminación, por decir un ejemplo, de un edificio
bien sea comercial, residencial o industrial a un precio muy bajo, lo que se traduce en una ventaja
comparativa importante frente a las empresas competidoras. Es importante señalar, que con este
proyecto la empresa desea iniciar un proyecto de investigación y desarrollo de diversos tipos de
RCU, que sean capaces de cumplir con diversas y específicas funciones, pero que a su vez sean
todas compatibles con los sistemas ya existentes, de manera de poder cubrir un proyecto total de
automatización para edificaciones comerciales, el cual podría incluir la integración de todos los
sistemas electromecánicos del edificio utilizando únicamente productos propios.
1.3
LA EMPRESA: ELECTBUS CORPORATION
La empresa Electbus Corporation, se encarga del desarrollo y fabricación de equipos de
distribución, automatización y control de energía eléctrica, para edificaciones destinadas al uso
tanto comercial como industrial. Esta empresa posee una infraestructura de fabricación de
alrededor de los ocho mil metros cuadrados (8.000 m²) en localidad de Cúa, estado Miranda, en
Venezuela, además de tener también oficinas comerciales en Caracas, Miami (EE.UU.), Bogotá
5
(Colombia) y Madrid (España), para lograr así atender tanto el mercado y la demanda local, como
internacional.
Luego de la fusión de dos empresas venezolanas, líderes en el desarrollo y fabricación
tanto de equipos eléctricos como de sistemas de automatización, nace Electbus Corporation, la
cual estaría entonces constituida por la anteriormente llamada Industrias Trial S.A. fundada en el
año de 1.969 y dedicada a la fabricación de diversos equipos como lo son las barras eléctricas,
donde llegó a proveer mas del 80% del mercado de este producto en Venezuela, así como
también de tableros eléctricos, switchgears y subestaciones móviles. La otra empresa que se
fusionaría entonces para crear la actual Electbus Corporation, es AETI C.A. establecida en 1.975
en Venezuela y que llegó a ser líder en el desarrollo tanto de la parte de hardware como de
software para los sistemas de automatización tipo SCADA, utilizados en la industria petrolera de
Venezuela.
De las sinergias consolidadas en esta fusión nacería entonces una nueva empresa, que
cuenta con más de 35 años de experiencias exitosas en el desarrollo, manufactura y prestación de
servicios de tecnología asociados a los sistemas de distribución y control de la energía eléctrica
en diversas edificaciones. Es así, como desde el momento de su nacimiento la empresa define su
misión y visión de la siguiente manera:
Misión:
Desarrollar e implementar soluciones innovadoras para la distribución, control e
integración de los sistemas y equipos electromecánicos en edificaciones, para lograr
proyectos más eficientes, económicos y confiables, en exceso de las expectativas de
nuestros clientes.
Visión:
La experticia acumulada durante mas de treinta años en Venezuela, el nivel de las
tecnologías desarrolladas por la empresa y las experticias exitosas logradas en muy corto
tiempo en Colombia, y otros países de Latinoamérica, refuerza nuestra visión de la
oportunidad para establecer importantes y sólidos nichos de mercado en el país y a nivel
internacional en el área de distribución eléctrica y control de energía para los sistemas
6
electromecánicos de edificaciones, aplicando las mejores tecnologías de punta y
conceptos innovadores a los arraigados criterios de diseño y construcción existente.
La empresa Electbus Corporation ha perseguido estos ideales y lo continúa haciendo
mediante el cumplimiento de los siguientes objetivos:
•
Desarrollar y consolidar nuestra capacidad tecnológica y gerencial, con la
aplicación de políticas de fortalecimiento de nuestro personal en un ambiente de
innovación, precisión de gestión y calidad.
•
Mantener y reforzar nuestra creciente participación internacional, como requisito
fundamental para garantizar la estabilidad y volúmenes de mercado que permitan
el sostenimiento de las inversiones en activos fijos, personal e investigación para
lograr un crecimiento sostenido armónico y sustentable.
•
Establecer un ambiente de confianza y cooperación entre todos los integrantes de
la organización utilizando para ello mecanismos de remuneración participativa y
relaciones ganar – ganar; para lograr los mas altos niveles de competitividad y
calidad requeridos para acceder a los competidos mercados internacionales.
•
Establecer una plataforma financiera eficiente, rentable y sólida que permita
mantener una operación ágil, los mejores niveles de remuneración del personal,
rendimiento apropiado para los accionistas y un importante compromiso social
con la comunidad y el ambiente.
Desde siempre, Electbus ha mantenido una inversión continua en proyectos de
investigación y desarrollo para mantenerse así a la vanguardia de los avances tecnológicos en el
área de sistemas para edificaciones; y poder entonces, garantizar a todos sus clientes las más
innovadoras y prácticas soluciones para todos sus requerimientos y necesidades particulares.
Entre los principales productos y soluciones que ofrece actualmente la compañía a sus clientes,
podemos destacar los siguientes:
Electrobarras:
Actualmente, en las edificaciones más importantes y modernas del mundo, se
utilizan las barras eléctricas o electrobarras para la distribución de la energía eléctrica
7
dentro de los mismos. De esta forma, la electricidad es llevada desde el tablero principal a
los pisos superiores mediante un alimentador central, al cual posteriormente se conectarán
las cargas secundarias según sean requeridas. De esta forma, se garantiza entonces que a
la hora de realizar estas conexiones se eliminará una gran cantidad de alimentadores y
ramales secundarios utilizados comúnmente que hacen de instalaciones, sistemas
complejos y poco prácticos.
Tableros y Subestaciones:
Esta empresa se dedica además a la fabricación de tableros y subestaciones
eléctricas de baja tensión destinados a edificaciones industriales o comerciales, las cuales
tienen integradas breakers, sistemas de protección y relés de las marcas más prestigiosas
del mundo para lograr así un producto robusto y competitivo.
Integración de sistemas:
Electbus ofrece también un sistema capaz de controlar y monitorear todos los
equipos del sistema de distribución eléctrica, además de integrar en una sola operación
todos los equipos electromecánicos de las edificaciones como lo son las bombas de agua,
plantas eléctricas de emergencia, el sistema de climatización, ventilación, ascensores y
escaleras mecánicas así como también otros sistemas asociados como el de incendio,
alarmas y circuito de cerrado de televisión. Todos estos equipos y sistemas, son entonces
integrados a través de diversas unidades de control, integradas por un software único y
fácil de operar y mantener, para lograr así la mayor eficiencia en la operación y un ahorro
energético óptimo.
Gerencia de Energía:
El sistema Prodiac de Electbus, permite, tanto extraer como almacenar la
información relevante de la red eléctrica de la edificación, para así poder administrar el
patrón de consumo, la demanda máxima y el factor de potencia en las diferentes áreas o
sectores de la edificación, para lograr entonces un control en la demanda pico de energía,
lo que se traduce en una reducción de los costos en la facturación por este concepto.
Adicionalmente, este sistema es capaz de evaluar estas variables en diversos sectores para
administrar así el costo energético de diferentes usuarios o unidades además de controlar
la calidad de la energía de forma de proteger los equipos que así lo requieran [2].
8
1.3.1 La Gerencia de Automatización:
La gerencia de Automatización de Electbus Corporation se encuentra directamente
adscrita a la presidencia de la empresa, tal y como se puede observar en la figura 1, y es a ella a
quien le rinde cuentas. El organigrama de la figura presenta la ubicación de la Gerencia de
Automatización dentro de la empresa Electbus Corporation.
Las funciones de esta gerencia están dirigidas al área de proyectos de automatización de
edificios tanto residenciales como comerciales, y dentro de ella destacan dos áreas especificas:
primero, la de Ingeniería de Obras, que se encarga de llevar a cabo los proyectos de
automatización contratados, dependiendo de los requerimientos del cliente, así como también de
la supervisión de la instalación y puesta en marcha del proyecto; y segundo, se encuentra el área
de investigación y desarrollo, la cual se encarga de desarrollar nuevos productos que serán
fabricados para ampliar y simplificar cada vez mas la oferta y los servicios que pueden ser
prestados por la empresa en cuanto a proyectos de automatización se refiere.
PRESIDENCIA
ADMINISTRACION
GERENCIA DE
AUTOMATIZACION
INVESTIGACION Y
DESARROLLO
GERENCIA DE
PLANTA
MERCADEO
NACIONAL
MERCADEO
INTERNACIONAL
INGENIERIA DE
OBRAS
Figura 1: Organigrama de la empresa Electbus Corporation, se destaca la Gerencia de Automatización y el área de
Investigación y Desarrollo
9
1.4
ESTRUCTURA DEL INFORME DE PASANTÍA
A continuación se realiza una descripción breve del contendido de cada uno de los
capítulos que conforman este informe, con la intención de destacar la información más
importante del proyecto, las actividades realizadas para el desarrollo del mismo y las diferentes
etapas o fases cubiertas para lograr conseguir los objetivos.
•
Capitulo 1 – Introducción: en este primer capítulo se presenta el proyecto, sus
características, alcance y demás información relevante para poder identificar el
mismo. Asimismo, se hace una breve descripción de la empresa en la cual fue
realizado el proyecto, una breve reseña histórica, a que se dedica y como esta
conformada, además de una corta descripción del departamento donde se elaborara
el proyecto.
•
Capitulo 2 – Marco Teórico: Este capitulo ofrecerá la información teórica
necesaria para la realización y comprensión del proyecto. Contiene la información
relevante a los equipos, programas y protocolos utilizados en el desarrollo, así
como las bases teóricas de la automatización de edificios.
•
Capitulo 3 – Unidad Remota de Control: Consideraciones de Diseño: En este
capítulo se presenta como han funcionado los sistemas de automatización
montados por la empresa en el pasado, como se hace en la actualidad, y como se
desean hacer en el futuro. Asimismo, se describen las dificultades presentadas en
las experiencias durante el desarrollo y la instalación de los sistemas actuales, y
los anteriormente instalados que ya se encuentran funcionando, además de
presentar las características que deben presentar los equipos a ser desarrollados
durante la elaboración de este proyecto.
•
Capitulo 4 – Unidad Remota de Control: Implementación: En este capítulo se
presentan los diseños separados por diagramas de bloque, realizados para cumplir
con los requerimientos de la empresa, y se explica detalladamente el
funcionamiento de cada uno de estos bloques, los cuales al ser integrados
conforman las Unidades Remotas de Control, tanto maestra como esclava.
•
Capitulo 5 – Unidad Remota de Control: Resultados: En este capitulo se
presenta un análisis detallado de los costos de producción de cada uno de los tipos
10
de RCU desarrollados durante este proyecto, y se da una breve explicación de los
mismos.
•
Capitulo 6 – Conclusiones y Recomendaciones: A partir de los resultados
obtenidos durante el desarrollo del proyecto, se presentan una serie de
conclusiones obtenidas luego de haber realizado el desarrollo de las nuevas
unidades. Asimismo se entregan diversas recomendaciones para el correcto
funcionamiento de las Unidades Remotas de Control dentro de los nuevos
sistemas de automatización propuestos por la empresa Electbus.
11
2
CAPÍTULO II- MARCO TEÓRICO
Este capitulo presenta las bases teóricas necesarias para el correcto entendimiento de este
trabajo de grado, de esta forma se presentaran los conceptos básicos necesarios para entender el
funcionamiento de un sistema de automatización. Entre las definiciones que se presentaran están
la de los tipos de sistemas de automatización, los componentes que forman una red de
automatización y sus diferentes tipos, los protocolos de comunicación más comúnmente
utilizados en estos sistemas, así como también la definición de algunos componentes o equipos
básicos y necesarios cuando se quiere instalar un sistema de automatización.
Es importante señalar, previo a la explicación de los conceptos clave que los continuos
avances que han venido experimentando las tecnologías de la electrónica, la informática y las
comunicaciones han revolucionado la forma de pensar, de actuar y de vivir de las personas y su
entorno, de tal forma que hoy en día resulta cada vez más necesario dotar a las diferentes
instalaciones e inmuebles, independientemente de su razón social, de los atributos inherentes de
un edificio inteligente. Es por esta razón, que gran parte de los edificios tanto residenciales como
comerciales e industriales construidos hoy en día, incluyen un arsenal extenso de
microprocesadores, capaces de monitorear y controlar inteligentemente los equipos, tanto
mecánicos como eléctricos dentro del edificio mismo, con el fin de garantizar el máximo confort
y seguridad de sus ocupantes, reduciendo así los costos operativos y por conceptos de
mantenimiento, a la vez de lograr una eficiencia óptima en el consumo de energía.
Según la compañía Intelligent Building Institute (IBI) ubicada en Washington D.C. un
edificio inteligente “es aquel que proporciona un ambiente de trabajo productivo y eficiente a
través de la optimización de sus cuatro elementos básicos: estructura, sistemas, servicios y
administración, con las interrelaciones entre ellos. Los edificios inteligentes ayudan a los
propietarios, operadores y ocupantes, a realizar sus propósitos en términos de costo, confort,
comodidad, seguridad, flexibilidad y comercialización” [3]. Mientras que por otra parte, la
automatización de edificios se trata de una red de dispositivos electrónicos programados,
computarizados e “inteligentes” que se comunican entre si, con el fin de lograr el monitoreo y
12
control de los sistemas tanto mecánicos como de iluminación de una edificación, para así lograr
convertirla en una edificación inteligente.
2.1
TOPOLOGIAS DE SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN COMERCIAL Y
RESIDENCIAL
Según la distribución de las unidades de procesamiento, podemos identificar
principalmente tres tipos de sistemas de automatización:
2.1.1 Centralizado:
Es aquel en el cual existe una única unidad central inteligente, la cual se encargará de
procesar todos los requerimientos de la red de automatización del edificio, a la vez que recibirá
información de los distintos elementos de campo, como pueden ser sensores o detectores y
actuará en función de su programación y lo que estos elementos indiquen sobre los diferentes
circuitos que la misma controla, entre los cuales pueden estar el sistema de alumbrado, el aire
acondicionado o calefacción, control de acceso, y los sistemas de seguridad. Tal y como lo indica
la figura 2, todos los sistemas a ser controlados desde esta unidad central deben ser cableados
desde su punto de origen o de control hasta la central inteligente.
Aire
Acondicionado 1
Aire
Acondicionado 2
Aire
Acondicionado 3
Aire
Acondicionado 4
Unidad Central Inteligente
Sistema
Antifuegos
Sistema de
seguridad
Sistema de
Alumbrado
Control de Acceso
Figura 2: Esquema de conexión de un sistema de automatización centralizado
2.1.2 Descentralizado:
En este tipo de sistemas no es necesario llevar los cables de control y monitoreo desde los
equipos hasta las unidades inteligentes ya que estos equipos van directamente conectados a una
unidad controladora, de reducido tamaño, que se encargará de la integración de dicho equipo al
13
resto de la red de automatización. Tal y como podemos observar en la figura 3, los cables de
control de estos equipos solo viajarán hasta la ubicación de las unidades de control, que
normalmente se encontrarán en las cercanías de los equipos, mientras que un cable de
comunicaciones que si viajará a través de toda la edificación se encargará de llevar la
información desde estas unidades hasta el computador central o la unidad que se encargue de
gobernar la red principal del sistema.
UNIDAD
CONCENTRADORA
UNIDAD
CONCENTRADORA
Control de
Acceso
Sistema
Antifuegos
Sistema de
Seguridad
Sistema de
Alumbrado
RCU 6
RCU 7
RCU 8
RCU 9
A/A 1
A/A 2
A/A 3
A/A 4
A/A 5
RCU 1
RCU 2
RCU 3
RCU 4
RCU 5
Figura 3: Esquema de conexión de una red totalmente descentralizada
2.1.3 Semi Centralizado:
Los sistemas de automatización semi centralizados, no son más que un hibrido entre los
sistemas totalmente centralizados, y los sistemas totalmente descentralizados, de esta forma, tal y
como se puede observar en la figura 4, en este tipo de sistemas se utilizan varias unidades de
procesamiento, pero sin llegar al punto de tener, como en los sistemas totalmente
descentralizados, una unidad por equipo.
14
Estos sistemas, son los mas comúnmente utilizados, ya que no presentan ni la
complejidad a la hora de realizar las conexiones que presentan los sistemas centralizados, ni
los altos costos relacionados con la utilización de una unidad de control por equipo, como
sucede en los sistemas descentralizados.
Equipos
Sotano 1
Equipos
Planta Baja
RTU
Sotano 1
RTU
Planta Baja
Equipos
Sotano N
Equipos
Piso N
RTU
Sotano N
RTU
Piso N
Figura 4: Esquema de conexión de una red de automatización semi centralizada
2.2
REDES DE AUTOMATIZACIÓN COMERCIAL Y RESIDENCIAL
Típicamente, una red de automatización de un edificio está formada por un bus de
comunicaciones, entradas y salidas (I/O por sus siglas en inglés), una interfaz de usuario y uno o
varios Controladores Lógicos Programables (PLC por sus siglas en inglés) o Unidades
Terminales Remotas, dependiendo de la tecnología a utilizar en el proyecto.
Este bus de comunicaciones puede ser principalmente de fibra óptica, ethernet, RS-232,
RS-485 o una red inalámbrica de comunicaciones.
15
2.2.1 Fibra Óptica:
La fibra óptica no es más que una guía de ondas cilíndrica, hecha normalmente de
delgados filamentos de vidrio o plástico cuyo espesor varía entre 10 y 300 micrones que es capaz
de transmitir un mensaje al dejar pasar luz a través de su eje, tal como se puede observar en la
figura 5.
El principio en el cual se basa la transmisión es la reflexión total interna, de esta forma, la
luz viaja por el núcleo de la fibra incidiendo en el extremo de esta con un ángulo mayor que el
ángulo crítico, de manera que la misma se refleje sin pérdidas hacia el interior de la fibra y pueda
así transmitirse de un punto a otro, luego de haber sido reflejada miles de veces. Para poder lograr
una transmisión exitosa sin pérdidas, es necesario que alrededor del núcleo exista un
revestimiento con un índice de refracción mucho menor que el del núcleo, para que el ángulo
crítico sea lo más pequeño posible, y así, que el cono de aceptación, que no es más que el mayor
ángulo desde donde puede provenir la luz para que sea reflejada dentro de la fibra, sea lo mayor
posible [4].
Figura 5: Funcionamiento de la fibra óptica
2.2.2 Ethernet:
El término Ethernet se refiere a la familia de productos de Redes de Área Local (LAN,
por sus siglas en inglés) cubiertos por el estándar IEEE 802.3 el cual define lo que comúnmente
16
llamamos el protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access – Colission Detect, en inglés),
en el cuál solamente puede ser transmitida una señal a la vez a través de un medio, y las demás
transmisiones deben esperar a que se termine el envío de información ya iniciado.
Ethernet originalmente estuvo basado en la idea de que las computadoras se comunicaran
a través de un cable coaxial, el cual actuaría como un medio de difusión de transmisiones. El
nombre Ethernet es derivado de las comparaciones realizadas entre este cable común, el cual
constituye el canal de la comunicación con el éter (Ether, en inglés), y de la palabra red en idioma
anglosajón. A partir de este concepto inicial, y comparativamente simple surgió el Ethernet, que
luego pasó a evolucionar hacia las complejas tecnologías de red que hoy en día intercomunican
las redes locales de computadores.
El cable coaxial fue luego reemplazado por enlaces punto a punto interconectados a través
de hubs y switches logrando de esta forma reducir los costos de instalación, aumentar la
confiabilidad y permitir también el manejo y localización de averías punto a punto.
A través del tiempo, han surgido otras tecnologías y protocolos como posibles sustitutos,
pero Ethernet ha sobrevivido como la mayor tecnología de redes de área local (actualmente se
utiliza en el 85% aproximadamente de las computadoras y estaciones de trabajo conectadas a
través de LANs), debido principalmente a las siguientes características:
•
Es fácil de implementar, mantener, manejar y entender.
•
Permite implementaciones de red de bajo costo.
•
Proporciona una extensa flexibilidad topológica para instalaciones de red.
•
Garantiza una interconexión y operación exitosa de los productos que obedecen el
estándar, sin importar quien es el fabricante [5].
2.2.3 RS – 232:
Para facilitar la conexión entre un Equipo Terminal de Datos (DTE, por sus siglas en
inglés) y un Equipo de Comunicación de Datos (DCE, por sus siglas en inglés), tal y como se
17
puede ver en la figura 6, se han creado a lo largo de los años, diversos estándares los cuales
especifican las características físicas, eléctricas, mecánicas y funcionales de la conexión.
Figura 6: Conexión de un DTE con un DCE
Entre estos estándares, probablemente el más conocido y utilizado a nivel mundial es el
“Estándar Recomendado 232” o RS – 232 por sus siglas en inglés, el cual define para la
comunicación serial entre equipos, las siguientes características:
•
Las características de las señales eléctricas tales como los niveles de voltaje, rata
de señalización, tiempo de duración y de flancos de subida y bajada de las señales,
niveles de capacitancia y longitud del cable.
•
Características de la interfaz mecánica, conectores enchufables e identificación de
pines.
•
Función de cada circuito en el conector de interfaces.
Por otra parte, este estándar no define algunos elementos como codificación de caracteres
(por ejemplo ASCII, Baudot o BCD), o la secuencia y características de la trama de datos
(número de bits por carácter, bits de inicio o parada y/o bits de paridad) así como tampoco define
ni protocolos de detección de errores ni algoritmos para compresión de data [6].
2.2.4 RS - 485:
Al hablar de RS–485 nos referimos a un estándar de comunicaciones especializado, que
aún cuando no es muy común en las computadoras personales, es uno de los más utilizados en el
18
mundo de adquisición de datos. Este estándar correspondería al nivel de capa física del modelo
OSI, que establece las especificaciones eléctricas de una conexión de par trenzado de cables, en
la cual se establecerá una comunicación serial multipunto, half duplex, entre dos dispositivos.
El Rs–485 establece una forma de comunicación diferencial, en la cual una polaridad de
voltaje indicaría un uno lógico, mientras que la polaridad inversa indicaría un cero lógico,
permitiendo así configurar una red local a bajo costo con altas tasas de transmisión de datos (35
BIT./seg. hasta 10 metros y 100 kbit./seg. hasta 1200 metros) y distancias de transmisión
relativamente largas. Este estándar ofrece únicamente especificaciones eléctricas tanto para el
emisor como para el receptor, mientras que no especifica ni recomienda ningún tipo de protocolo
para la trama de datos [7].
2.3
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN
Mientras que los elementos antes descritos se refieren al medio mediante el cual se transmiten
los datos, es importante también mencionar los protocolos de comunicación o protocolos de red,
que se definen como el conjunto de reglas que controlan la secuencia de mensajes que ocurren
durante una comunicación entre entidades que forman una red. En este contexto, las entidades de
las cuales se habla, son programas de computadora o automatismos de otro tipo, como pueden ser
dispositivos electrónicos capaces de interactuar en una red. Estos protocolos establecen aspectos
tales como:
•
Las secuencias posibles de mensaje que pueden llegar durante el proceso de la
comunicación.
•
La sintaxis de los mensajes intercambiados.
•
Estrategias para corregir los casos de error.
•
Estrategias para asegurar la seguridad (autenticación, encriptación).
Por otra parte, podríamos entender como protocolo de red a un algoritmo distribuido de
tiempo real, que se desarrolla en un entorno compuesto por varios usuarios que quieren
comunicarse entre sí y por unas conexiones a través de las cuales deben comunicarse las distintas
entidades del protocolo.
19
Las funciones mas importantes de los protocolos de comunicación son las siguientes:
•
Control de errores: Protege la integridad de los datos del usuario y de los mensajes de
control.
•
Control de flujo y congestión: Permite a la red compartir sus recursos entre un gran
número de usuarios, entregando a cada uno un servicio satisfactorio sin que sus
operaciones corran peligro.
•
Estrategias de encaminamiento: Permite optimizar la utilización de los recursos de la red,
aumentando la disponibilidad de los servicios de la red al proveer caminos alternativos
entre nodos terminales.
Desde siempre, la integración entre los diferentes sistemas de automatización y de
edificaciones inteligentes ha sido costoso y limitado, debido a que normalmente la interconexión,
o comunicación entre estos ha sido hecha con controladores o protocolos privados escritos en
base al fabricante. El primer movimiento realizado para crear protocolos abiertos en la industria
de la construcción fue la decisión de ASHRAE en 1987 de formar el Standing Project Comitee
SPC135 para desarrollar un estándar de comunicación abierto para la automatización de edificios.
La primera solución para protocolos de comunicación abierta, fue presentada por la
Echelon Corporation a principios de la década de los noventa, con su protocolo LonWorks,
basado en su chip Neuron; y hasta el día de hoy ha sido el método dominante para alcanzar la
interoperabilidad.
Los primeros protocolos de comunicación fueron escritos como un solo paquete completo,
pero actualmente, se escriben como una serie de “capas”, cada una diseñada para manejar una
tarea de comunicación específica. En el mundo entero se ha aceptado el modelo OSI (Open
Systems Interconnection) de siete capas para sistemas de comunicación, lanzado en 1984 y que
proporcionó a los fabricantes un conjunto de estándares que aseguraron una mayor
compatibilidad e interoperabilidad entre los distintos tipos de tecnología de red producidos por
20
las empresas a nivel mundial. A continuación, se presenta un pequeño resumen de las funciones
de cada una de estas capas:
- Capa 1 Æ Capa física:
Esta capa es la que se encarga de las conexiones físicas de la computadora hacia la
red, tanto en lo que se refiere al medio (cable conductor, fibra óptica o inalámbrico);
características del medio (tipo de cable o calidad del mismo; tipo de conectores
normalizados o en su caso tipo de antena; etc.) y la forma en la que se transmite la
información (codificación de señal, niveles de tensión/intensidad de corriente eléctrica,
modulación, tasa binaria, etc.)
Transporta la trama o palabra de bits a través de las partes mecánicas y eléctricas.
- Capa 2 Æ Capa de enlace de datos:
Esta capa debe ser capaz de proporcionar una transmisión sin errores a partir de
cualquier medio de transmisión. Debe crear y reconocer los límites de las tramas, así
como resolver los problemas derivados del deterioro, pérdida o duplicidad de las tramas.
También puede incluir algún mecanismo de regulación del tráfico que evite la saturación
de un receptor que sea más lento que el emisor.
- Capa 3 Æ Capa de Red:
El cometido de la capa de red es hacer que los datos lleguen desde el origen al
destino, aún cuando ambos no estén conectados directamente. Es decir que se encarga de
encontrar un camino o ruta manteniendo una tabla de enrutamiento y atravesando los
equipos que sea necesario, para hacer llegar los datos al destino.
Adicionalmente la capa de red debe gestionar las congestiones en la red, que no es
más que el fenómeno que se produce cuando una saturación de un nodo tira abajo toda la
red.
- Capa 4 Æ Capa de Transporte:
Su función básica es aceptar los datos enviados por las capas superiores, dividirlos
en pequeñas partes si es necesario, y pasarlos a la capa de red. En el caso del modelo OSI,
21
también se asegura que lleguen correctamente al otro lado de la comunicación. Otra
característica a destacar es que debe aislar a las capas superiores de las distintas posibles
implementaciones de tecnologías de red en las capas inferiores, lo que la convierte en el
corazón de la comunicación.
Maneja el control de origen a destino (por ejemplo, determinar si todos los
paquetes llegaron) y el chequeo de errores. Se asegura de que la data sea transferida
completamente.
- Capa 5 Æ Capa de Sesión:
Se encarga de establecer, coordinar y terminar las conversaciones, intercambios y
diálogos entre las aplicaciones en cada extremo. Trabaja con la coordinación le
interconexión y la sesión.
Además de esto, también se encarga de mantener puntos de verificación
(checkpoints), que sirven para que, ante una interrupción de transmisión por cualquier
causa, la misma se pueda reanudar desde el último punto de verificación en lugar de
repetirla desde el principio.
- Capa 6 Æ Capa de Presentación:
El objetivo de la capa de presentación es encargarse de la representación de la
información, de manera que aunque distintos equipos puedan tener diferentes
representaciones internas de caracteres (ASCII, Unicode, EBCDIC), números (littleendian, big-endian), sonido o imágenes; los datos lleguen de manera reconocible. Es
decir, la función de esta capa no es otra que la de manejar las estructuras de datos
abstractas y realizar las conversiones de representación de datos necesarias para la
correcta interpretación de los mismos.
- Capa 7 Æ Capa de Aplicación:
Ofrece a las aplicaciones (de usuario o no) la posibilidad de acceder a los servicios
de las demás capas y define los protocolos que utilizan las aplicaciones para intercambiar
datos, como correo electrónico (POP y SMTP), gestores de bases de datos y servidor de
22
ficheros (FTP). Hay tantos protocolos como aplicaciones distintas y puesto que
continuamente se desarrollan nuevas aplicaciones el número de protocolos crece sin parar.
Cabe aclarar que el usuario normalmente no interactúa directamente con el nivel
de aplicación. Suele interactuar con programas que a su vez interactúan con el nivel de
aplicación pero ocultando la complejidad subyacente. Así por ejemplo un usuario no
manda una petición "HTTP/1.0 GET index.html" para conseguir una página en html, ni
lee directamente el código html/xml [8].
Actualmente, la mayoría de los protocolos de comunicación están adoptando estándares
existentes y comunes para las distintas capas del modelo. Por ejemplo:
-
En la industria de la construcción, a nivel de capa física y capa de enlace, Ethernet es
el estándar para LAN’s de alta velocidad, RS-485 es el estándar para LAN’s de baja
velocidad y RS-232 es el estándar para comunicaciones punto a punto.
-
IP es el protocolo aceptado para la capa de red.
-
UDP y TCP son los protocolos complementarios y aceptados para la capa de
transporte.
-
HTML, XML y HTTP son el estándar para las comunicaciones en Internet.
En estos momentos, el mundo de la automatización se encuentra en medio de una “guerra
de protocolos”, ya que varias empresas o grupos con diversos intereses se encargan de promover
sus propios protocolos. A continuación se presenta una tabla con algunos de los protocolos más
comunes y relevantes de la actualidad:
23
Tabla 1: Protocolos de control en tiempo real más comunes
Protocolo
BACnet
DNP3
EIB- European
Installation Bus
Lonworks
Mercado
Edificios
Generación de
poder
Edificios
Edificios
Residenciales
Modbus
Industrial
OPC – OLE for
Sector
Process Control
Manufacturero
X10
Residencial
Controlado por
Desarrollado por
ASHRAE
ASHRAE
committee
committee
DNP3 User Group
Westronic
Siemens
Siemens
Echelon
Echelon
Schneider
OPC Foundation
X10
Modicon
(Schneider)
Microsoft y otras
compañías
X10
2.3.1 BACnet:
El protocolo BACnet fue desarrollado en un período de ocho años por Comité de
Proyectos 135 de la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aires
Acondicionados (ASHRAE, por sus siglas en inglés). El protocolo fue desarrollado
específicamente en dirección a la interoperabilidad y para atacar preocupaciones propias de los
sistemas de la industria de automatización de edificios. Este protocolo actualmente se está
esparciendo hacia todas las facetas de los edificios inteligentes, particularmente iluminación,
seguridad y control de acceso y protección antifuego. BACnet está basado en una versión
colapsada o fusionada del modelo OSI incorporando las capas de Aplicación, Red, Enlace de
datos y Física únicamente.
BACnet define múltiples arquitecturas físicas, de forma de poder manejar redes de alta y
baja velocidad, así como también conexiones punto a punto y de esta manera
emular las
24
estructuras de la mayoría de los sistemas de automatización. BACnet define Objetos de
Información que serán comunicados sobre un medio físico y define Servicios para manejar el
flujo de estos Objetos entre los distintos dispositivos BACnet.
Debido a que BACnet esta basado en un modelo “Cliente – Servidor” los mensajes de
BACnet son llamados “service requests” (petición de servicio); de esta forma, una máquina
“cliente” envía una petición de servicio a una máquina “servidor”, la cual realiza el servicio y
reporta el resultado al cliente. BACnet actualmente define 35 tipos de mensajes los cuales están
divididos en 5 subgrupos o clases. Por ejemplo, una clase contiene mensajes para acceder y
manipular las propiedades de los objetos antes descritos. Una petición de servicio bastante común
es “ReadProperty” (LeerPropiedad); este mensaje hace que la máquina “servidor” localice la
propiedad del objeto pedido y envíe el valor de vuelta al cliente. Otros tipos de servicios se
encargan de alarmas y eventos, subir y bajar archivos, manejar la operación de dispositivos
remotos y las funciones de terminales virtuales.
Actualmente, la SSPC135, el comité encargado del desarrollo de BACnet continúa
añadiendo propiedades al protocolo, es mas, parte de las ventajas del diseño de BACnet es que
desde un principio se ha tenido planeado su continua evolución [9].
2.3.2
DNP3:
Este protocolo fue creado originalmente por Westronic, Inc. En 1990. Luego, en 1993 el
documento de especificación de protocolo ‘DNP 3.0 Basic 4’ fue abierto al dominio público.
Posteriormente, la propiedad del protocolo fue otorgada al recientemente formado Grupo de
Usuarios de DNP en octubre de 1993, y desde ese momento el protocolo ha ganado aceptación a
nivel mundial hasta el punto en que se han creado grupos de usuarios en China, Latinoamérica y
Australia. El DNP 3.0 es un protocolo SCADA abierto, inteligente, moderno, robusto y eficiente,
basado en los estándares del comité técnico 57 de la Comisión Internacional de Electrotecnia
(IEC, por sus siglas en inglés) y es utilizado para el intercambio de data entre RTUs (Unidades
terminales remotas) y puntos de control remotos.
25
El desarrollo de DNP3 fue un esfuerzo para alcanzar interoperabilidad abierta y basada en
estándares entre subestaciones de computadoras, RTUs, Dispositivos Electrónicos Inteligentes
(IEDs, por sus siglas en inglés) y estaciones maestras para la industria de las compañías de
electricidad. Adicionalmente, DNP ha sido comúnmente utilizado en las industrias de aguas
blancas y negras, transporte y la industria del petróleo y el gas.
DNP3 es un protocolo abierto y público, para el cual, de forma de garantizar su
interoperabilidad y longevidad se le ha dado la propiedad y la responsabilidad de la evolución del
mismo a los grupos de usuarios de DNP3, siendo el Comité Técnico de este grupo el encargado
de evaluar las modificaciones sugeridas o las adiciones al protocolo para luego enmendar o
compensar la descripción del mismo tal y como lo mandan los miembros de los grupos de
usuarios [10].
2.3.3
EIB, European Installation Bus:
Este protocolo fue originalmente diseñado como un controlador de bus a nivel de campo
en Europa y no se ha utilizado fuera de este continente, pero recientemente, EIBnet ha sido
reconocido tanto para el nivel de automatización de edificios como para el nivel de campo.
Inicialmente el EIB fue desarrollado para trabajar a nivel de campo a una velocidad de 9.600 bits
por segundo, pero el protocolo EIBnet, desarrollado para los niveles de automatización hace que
sea posible las transferencia de datos vía Ethernet 10BaseT a velocidades que incluso llegan a los
10 megabits por segundo [11].
2.3.4
LonWorks:
Protocolo desarrollado por la corporación Echelon y dedicado a redes de baja velocidad
que “hablan” o se comunican con los chips Neuron de esta misma compañía, que no son más que
un protocolo en un chip; y, es esto precisamente, la principal ventaja y la principal desventaja de
LonWorks para las aplicaciones de automatización de edificios. Decimos ventaja, ya que este
protocolo es el mas simple de implementar para las compañías dedicadas al área, ya que gran
parte del trabajo de desarrollo ha sido hecho previamente. Mientras que, por otra parte, es una
26
desventaja, porque la persona encargada de implementar este protocolo está atada a las
limitaciones del chip Neuron.
LonWorks ha sido ampliamente utilizado no solamente en la industria de la construcción
sino también en otras industrias como la industria de trenes, y actualmente está llegando al
mercado residencial. Este protocolo puede comunicarse a través de su propio bus de baja
velocidad, o a través de los cables de energía eléctrica y así aprovechar el cableado existente [12].
2.3.5
Modbus:
El protocolo ModBus fue desarrollado por Modicon para el área industrial y es el más
utilizado en esta industria a nivel mundial. Este protocolo es muy utilizado en la industria de la
construcción y edificios, como un protocolo de interfaz entre equipos comúnmente utilizados en
estas áreas y que pueden tener velocidades variables entre otras características.
ModBus utiliza una estructura de mensajes, para así establecer una comunicación de tipo
maestro – esclavo entre dispositivos inteligentes. Este protocolo, al ser solamente una estructura
de mensajes, es independiente de la capa física subyacente y normalmente es implementado
utilizando RS232, RS422 o RS485 sobre diversos medios (fibra, radio, celular, etc.). Es
importante destacar a su vez, que recientemente fue desarrollado el protocolo ModBus TCP/IP
para de esta forma proveer una interfaz más rápida, y utiliza TCP/IP y Ethernet para transportar la
estructura de mensajes de ModBus [13].
2.3.6 OPC – OLE for Process Control:
OPC es un estándar para la interoperabilidad de aplicaciones basadas en software libre
como aplicaciones de control y automatización, sistemas y dispositivos de campo y aplicaciones
de oficina. Primordialmente, OPC fue desarrollado para ambientes o industrias manufactureras
para lograr que los diferentes sistemas como inventario, sistemas de transporte y robótica se
comuniquen entre si a un nivel de sistema y no de dispositivo. Fue desarrollado con la
participación de Microsoft, pensando en que estaría basado en una interfaz de PC a PC [14].
27
2.3.7
X10 – Protocolo Residencial:
X10 es un protocolo para funcionar en las líneas de poder y diseñado para el mercado
residencial, que permite a los dispositivos compatibles comunicarse a través de las líneas 110
VAC existentes en las casas, y permite direccionar hasta 256 dispositivos. Normalmente, los
dispositivos X-10 tienen opciones limitadas, como lo serían “Start / Stop” y pueden ser
programados desde una computadora personal estándar [15].
2.4
CONCEPTOS BÁSICOS
Por otra parte, y volviendo a la topología de los sistemas de automatización, es importante
aclarar ciertos conceptos básicos, que son necesarios para lograr el entendimiento de un sistema
de automatización. Entre los conceptos más importantes, se encuentran los de PLC y RTU, ya
que estos son el corazón de los sistemas de automatización, por ser las encargadas de interactuar
entre las interfaces con las personas y los equipos eléctricos y electromecánicos. Asimismo se
presentaran otros conceptos importantes como los de entradas y salidas, relé, contactor, etc.
2.4.1 PLC:
Un Controlador Lógico Programable, o PLC por sus siglas en ingles es un dispositivo
inventado con el fin de sustituir los circuitos secuenciales de relés necesarios para el control de
maquinarias. Un PLC trabaja observando el estado de sus entradas y dependiendo del estado de
ellas y de un programa grabado en la memoria del mismo (de ahí el termino Programable) actúa
sobre sus salidas, encendiéndolas, apagándolas o regulándolas [16].
Un simple ejemplo del funcionamiento o de las ventajas que ofrece un PLC lo podemos
ver con un switch que controla un bombillo (Ver figura 7). En este simple circuito, tenemos un
interruptor que enciende o apaga un bombillo; aparte de eso, no existe ningún otro tipo de
control.
28
Figura 7: Circuito de conexión entre un bombillo y un interruptor
Ahora, si se requiere que el bombillo no encienda instantáneamente, en el momento en
que es presionado el interruptor, sino cinco segundos mas tarde, sería necesario comprar un
temporizador y volver a cablear el circuito, lo que se traduce en mas trabajo y en consecuencia,
mas dinero. Pero si consideramos conectar el mismo circuito con un PLC en el medio, como se
puede observar en la figura 8, en donde el interruptor estaría cableado como una entrada,
mientras que el bombillo sería una salida, realizar los cambios antes mencionados en el tiempo de
encendido del bombillo, tan solo requeriría una simple modificación en el programa del PLC.
Figura 8: Circuito de bombillo e interruptor con PLC en el medio
En un ejemplo tan sencillo como este, no parece necesario introducir un costoso PLC
entre el bombillo y el interruptor, pero cuando se trata de circuitos mucho mas complejos que
este, en cual pueden existir grandes cantidades de bombillos, solenoides e interruptores
interactuando entre si, la inclusión de un PLC, no solamente hace mas fácil la instalación y
operación de los mismos, sino que se convierte en un dispositivo totalmente necesario para el
correcto funcionamiento del sistema [17].
29
2.4.2 RTU:
A Las Unidades Terminales Remotas, se conectan directamente y recolectan información
de sensores, medidores o unidades de proceso. Normalmente, sirven de esclavos en los sistemas
SCADA y están ubicados en las cercanías de los procesos a ser monitoreados y envían la
información a la unidad controladora cuando así lo requiere ésta última. [18]
La principal diferencia entre un PLC y un RTU radica en el hecho de que los PLC son
programables, y los mismos ejercen el control y monitoreo del sistema de acuerdo a la
programación que tenga el mismo, mientras que un RTU no lleva un programa en si, sino que
mas bien recibe órdenes de una unidad concentradora, la cual si es programable y las ejecuta
sobre sus salidas.
Es imposible hablar de PLC y RTU sin mencionar sus entradas y salidas, ya que son ellas
las que interaccionan con los diferentes equipos y dispositivos, siendo una parte fundamental e
imprescindible de estos equipos, ya que depende de ellas que se pueda tanto leer o muestrear el
estado de cierto dispositivo, como prender, apagar o controlar el estado del mismo; estas entradas
y salidas (I/O por sus siglas en ingles) pueden ser digitales o analógicas:
•
Analógicas: Se refiere a aquellas entradas y salidas que son capaces de medir una
señal continua variable, como por ejemplo, la temperatura de una habitación o la
intensidad de luz de un bombillo graduable.
•
Digitales: También conocidas como binarias, son aquellas entradas y salidas que
tienen únicamente dos estados, uno y cero, o apagado y prendido, como bien pueden ser
un bombillo o la barrera de acceso a un estacionamiento, que puede estar abierta o
cerrada.
Una RTU o un PLC normalmente esta compuesto en su interior por microcontroladores y
dispositivos electrónicos que típicamente trabajan con voltajes bajos, en donde un uno lógico es
un valor cercano a las 5 VDC, mientras que un cero lógico es un valor alrededor de 0 VDC. Sin
embargo, las entradas y salidas de estos equipos normalmente se encargan de controlar sistemas
30
cuyos potenciales eléctricos son mucho mas altos que estos, e incluso, gran parte de las veces no
son siquiera corriente directa sino alterna. Es por esto, que para realizar el diseño de uno de estos
equipos, se utilizan otros dispositivos que son capaces de convertir los voltajes utilizados en la
circuiteria del PLC o RTU en los voltajes necesarios para su aplicación comercial o industrial.
Estos dispositivos son los siguientes:
2.4.3
Relés (Relays):
Un relé no es mas que un interruptor electromecánico, conformado por una bobina y
varios contactos, el cual abre y cierra bajo el control de otro circuito; de esta forma, cuando fluye
corriente a través de la bobina electromagnética, la misma atrae una armadura que esta
mecánicamente vinculada a un contacto móvil, logrando así que este movimiento abra o cierre un
contacto fijo. Cuando la corriente a través de la bobina deja de fluir, el contacto es atraído hacia
su posición original, por una fuerza normalmente igual a la mitad de la fuerza electromagnética
que anteriormente lo movilizó. En general, el objetivo de los relés es controlar, utilizando
relativamente poca energía, un circuito que utilice cantidades mucho mayores de energía y
corriente [19].
Existen principalmente dos tipos de relé, los relés tipo latch que cambian de estado
cuando reciben un pulso en su entrada, y los relés estándar que mantienen su estado normal
mientras no haya voltaje en su entrada, y cambian de estado en el momento que empiezan a
recibir voltaje en la bobina del mismo.
2.4.4
Optoacopladores:
Un opto acoplador, o opto aislador como también se le conoce, es un dispositivo que
utiliza una corta trayectoria de transmisión óptica para transferir una señal entre diversos
elementos de un circuito, típicamente un emisor y un receptor, pero manteniéndolos
eléctricamente aislados, ya que la señal eléctrica, se convierte en una señal óptica para luego
volver a convertirse en una señal eléctrica; de esta forma se garantiza que no hay contacto
eléctrico entre un elemento del circuito y otro.
31
Una de las formas mas comunes de implementar esto, como se puede ver en la figura 9, es
utilizando un Diodo Emisor de Luz (LED por sus siglas en ingles) y un sensor de luz separados
de tal forma que la luz pueda viajar entre ellos pero la corriente no; entonces, cuando se le aplica
una señal eléctrica al LED, este empieza a emitir luz activando el sensor de luz y en
consecuencia, activando la salida [20].
Figura 9: Circuito esquemático de un Opto acoplador
Uno de las aplicaciones de estos dispositivos es la de aislar circuitos de control o
monitoreo que funcionan a bajas corrientes, de circuitos de maquinaria y motores que necesitan
de altas corrientes para funcionar, y a su vez generan altos picos de corriente durante el
encendido y apagado.
2.4.5
Contactor:
Es básicamente un relé de alta resistencia utilizado principalmente para motores de alta
carga y circuitos de iluminación. En estos equipos los contactos están hechos de plata, ya que,
con el pasar del tiempo y al conducir altas cargas, los contactos tienden a oxidarse, pero el oxido
de plata sigue siendo un buen conductor.
32
3
CAPÍTULO III- UNIDAD REMOTA DE CONTROL: CONSIDERACIONES DE DISEÑO
En este capitulo se presentan los antecedentes de la nueva RCU a ser diseñada en este
proyecto, y se explica como se realizaban los proyectos de automatización en la empresa antes de
que existiera la nueva RCU desarrollada durante este proyecto. Asimismo, se presentan ciertas
consideraciones y características que debía presentar la unidad remota una vez que estuviese lista.
3.1
ANTECEDENTES
3.1.1 La Automatización en Electbus
La empresa Electbus, a lo largo de los años ha venido modificando la topología en la cual
instalan sus redes de automatización. Inicialmente, en las primeras obras de automatización
comercial para las cuales fue contratada la empresa, se instalaron redes basadas en PLC’s
completamente centralizadas, en las cuales se instalaba un gran Controlador Lógico Programable
en el cuarto u oficina de control del edificio, al cual llegaba todo el cableado de control y
monitoreo de cada uno de los equipos a ser integrados desde cualquier parte de la edificación
(Ver figura 10).
Tal y como se puede apreciar en la figura, el común del modulo de salidas del PLC, esta
conectado directamente a la fase de 110 VAC. En el momento en que el usuario desde el
computador central o a través del software mediante el cual fue programado el PLC, activa una
salida, la misma hace contacto con el común activando así la bobina del contactor que a su vez
cerrara el contacto que encenderá el equipo. Del mismo modo, las entradas de confirmación de
encendido / apagado cuyo cable común se encuentra conectado al neutro del edificio, son
activadas al cerrar otro de los contactos del mismo contactor. Este sistema, aun cuando funciona
perfectamente, presenta innumerables problemas a la hora de instalarlo, ya que es necesario pasar
a través de las tuberías del edificio, cables, tanto para controlar como para confirmar cada uno de
los equipos; de esta forma, si se va a instalar el sistema en un edificio grande, de varios pisos, en
el cual hay que integrar los equipos de iluminación, ascensores, aires acondicionados, etc., se
estaría hablando de cientos e incluso miles de cables, y en los cuales cualquier error en su
33
conexión o en su traslado desde su ubicación original hasta el PLC podría ocasionar errores en
todo el sistema.
Figura 10: Esquema de conexión de los primeras sistemas de automatización de Electbus
Para los proyectos posteriores, luego de haber pasado por la experiencia de haber
instalado un sistema de automatización totalmente centralizado, y conocer las dificultades que
esta topología conlleva, a la hora de realizar las instalaciones y reparaciones, la empresa decidió
tomar otro rumbo, y basar sus sistemas, de ahí en adelante en topologías semi centralizadas,
donde las unidades de control, bien fueran PLC o RTU, se distribuirían a lo largo de todos los
pisos de la edificación, de forma de simplificar el cableado y las conexiones de los equipos.
Ahora, bajo este nuevo sistema semi centralizado, se utilizarían unidades de control con
un número de entradas y salidas limitadas, ubicadas estratégicamente dentro de la edificación,
desde las cuales saldrían los cables de control y monitoreo de cada uno de los equipos, hasta las
cajas de control. Estas tendrían en su interior el conjunto de relés, contactores y cableado
necesario para la integración de los mismos y que se encontrarían ubicadas convenientemente lo
mas cercano posible a los equipos asociadas a ellas.
34
La principal ventaja de esta nueva topología en la cual se sustituyo un gran PLC, por
unidades de control de menor tamaño, y con un numero limitado de entradas y salidas, y en
consiguiente, un numero limitado de equipos a controlar y / o monitorear, es que ahora los cables
viajarían únicamente hasta una ubicación específica en el mismo piso en el cual se encuentra
ubicado el equipo a ser controlado, mientras que a su vez, existiría un cable vertical que
interconectaría cada una de estas RTUs con el computador principal, el cual trabajaría como
cerebro central y se encargaría de monitorear y controlar todos los equipos de la edificación.
En la actualidad, la empresa ha decidido abandonar estos sistemas centralizados o semi
centralizados, para empezar a desarrollar un sistema de automatización con equipos de diseño
propio y completamente descentralizado, en el cual cada uno de los equipos o dispositivos a ser
controlados o monitoreados, estarán directamente conectados a una Unidad de Control Remoto
(RCU, por sus siglas en inglés) las cuales cumplirán exactamente la misma labor que las RTU,
pero con capacidad para manejar un numero muy reducido de equipos (hasta un máximo de tres
equipos por RCU). Este nuevo sistema de automatización y control propuesto por Electbus
Corporation estará implementado en una estructura jerárquica de dos niveles (Ver Figura 11) para
lograr así una mayor confiabilidad, eficiencia, y velocidad de operación del mismo; de esta forma
el sistema podrá ser manejado desde una consola de control principal para su operación cotidiana,
pero a su vez, cada uno de los subsistemas podrán ser controlados localmente en cada piso, para
el manejo de las funciones que le son inherentes.
35
Figura 11: Estructura jerárquica de dos niveles en los nuevos sistemas de automatización propuestos por Electbus
Corporation
En esta nueva topología, en cada uno de los pisos se implementarán redes locales
independientes, que se encargarán del manejo de cada uno de los equipos y sistemas del área a
través de Unidades Remotas de Control, las cuales serán específicas para el tipo de equipo
asignado y se ubicarán en las cercanías a los sistemas electromecánicos que las mismas
controlarán o monitorearán; estas RCU serán a su vez, gobernadas por Módulos de Interfase
Local, los cuales harán las veces de concentradores de redes locales en cada piso, actuando así
independientemente para el manejo de la red local con programas propios de operación, pero
36
estando a su vez subordinados al control del sistema general de integración y automatización de
la edificación.
A su vez, y tal y como se puede observar en la figura 12, el sistema deberá llevar un Panel
de Control Principal, el cual se encargara de la operación y manejo centralizado del sistema de
integración y los programas de gestión, gerencia y mantenimiento establecidos, además de la
regulación y supervisión de la funcionalidad de los Módulos de Interfase Local de acuerdo a los
programas preestablecidos.
Figura 12: Esquema de funcionamiento de en los nuevos sistemas de automatización propuestos por Electbus
Corporation
3.2
CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO DE LA UNIDAD REMOTA DE CONTROL
Durante la etapa de recopilación de información y estudio de los procedimientos de
automatización se pudieron determinar las principales características y funciones que debía tener
la futura herramienta de automatización. A partir de esto se concibió un esquema de trabajo
37
inicial que, a medida que se fuera probando en los escenarios reales de las obras proyectadas, se
iría depurando hasta alcanzar el diseño final.
En general, el prototipo debía contar con las siguientes características:
1. Comunicación Serial RS-485 y protocolo MODBUS entre la RCU maestro y la
LIM.
2. Comunicación paralela, a través de un BUS de ocho bits, con un protocolo propio
de Electbus, entre la RCU maestra con el resto de las RCU esclavas asociadas a
ella.
3. Direccionamiento especifico de cada una de las RCU manual a través de Dip
Switch.
4. Encendido y apagado de los circuitos a ser controlados a través de relés tipo Latch
de 24 VDC.
5. Rutina de lectura del estado de cada una de las salidas de la RCU.
6. Alimentación de la RCU a través del mismo cable paralelo por el cual sería
enviada la data.
Comunicación Serial, vía RS-485 y protocolo MODBUS entre la RCU maestro y la LIM:
La Unidad Remota Control maestra de cada red, debe comunicarse vía comunicación
serial RS-485 con el Modulo de Interfaz Local, o el computador central encargado de manejarla,
de forma de poder lograr grandes distancias entre la ubicación de las mismas. Se escogió un
protocolo de comunicación MODBUS por ser el protocolo estándar por excelencia en la industria
de la automatización, con mas de 25 años de pruebas en cualquier escenario de automatización,
además de que es un protocolo abierto y libre, para evitar problemas a la hora de interconectar los
equipos de Electbus con los de alguna otra compañía.
Esta comunicación, se realizaría a través de un cable plano, de 6 pelos, con conector RJ11 (Ver Figura 13) por el cual viajaría tanto la información como la alimentación de las RCU.
38
Figura 13: Apariencia de un Conector RJ 11 de 6 pelos o contactos
Comunicación paralela, a través de un BUS de ocho bits, con un protocolo propio de Electbus,
entre la RCU maestra con el resto de las RCU esclavas asociadas a ella.
Se decidió utilizar comunicación paralela, a través de un bus de 8 bits entre la RCU
maestra y el resto de las RCU esclavas asociadas a ella, de forma de simplificar al máximo el
diseño de las mismas, y disminuir lo más posible, la vulnerabilidad ante el ruido que pueda estar
presente en el destino final de las unidades.
Para ello se utilizaron ocho cables, los cuales conformarían el BUS de comunicaciones,
así como también tres cables de control, los cuales indicarían si el sistema esta asignando una
dirección, escribiendo en una salida, o leyendo el estado de alguna entrada. De esta forma, el
RCU maestro primero enviará la data correspondiente a la dirección de la remota sobre la cual se
va a realizar la acción, y luego la acción que se desea realizar sobre dicha RCU de acuerdo a las
instrucciones recibidas de la LIM.
Direccionamiento especifico de cada una de las RCU manual a través de Dip Switch.
Se tomó la decisión de realizar el direccionamiento de cada una de las RCU a través de
Dip Switch (ver figura 14) mediante una comparación del BUS de datos, con otro BUS
proveniente del Dip Switch en cuestión, de forma de simplificar al máximo tanto la producción
en masa, como la instalación de las mismas, ya que, el direccionamiento programado requería de
la instalación de un componente, bien sea un microcontrolador o una memoria, diferente y
especifico para cada una de las unidades a ser manufacturadas; asimismo, en el caso en que la
39
dirección de las RCU fuese asignada través del software, cada RCU debía tener una etiqueta con
su dirección electrónica, lo que hace mas lento el proceso de instalación.
Figura 14: Apariencia de un Dip Switch de 8 posiciones
Encendido y apagado de los circuitos a ser controlados a través de relés tipo Latch de 24
VDC.
Para el control de los sistemas electromecánicos o circuitos conectados a la RCU se
utilizarán Relés tipo latch (ver figura 15), los cuales al recibir un pulso cambian su estado, es
decir, si anteriormente se encontraban encendidos, al recibir el pulso se apagan, y viceversa. Se
decidió utilizar estos relés a diferencia de los relés normales, los cuales están encendidos mientras
reciban voltaje en la bobina, y se apagan en el momento en que se les corta la corriente de forma
de disminuir la potencia disipada por los RCU.
Figura 15: Apariencia de un Relé tipo Latch y su salida para una entrada tipo pulso
Rutina de lectura del estado de cada una de las salidas de la RCU
Cada una de las RCU esclava debe ser capaz de enviar el estado de sus salidas cuando así
lo solicite la RCU maestra, asimismo, debe a su vez enviar el estado de las entradas de la misma
40
en caso de que las tenga, a través del bus de 8 bits designado para el envío de data. El objetivo de
esta característica es lograr el monitoreo total y a tiempo real de cada uno de los circuitos y
equipos electromecánicos a ser centralizado y controlado por el sistema de automatización en si.
Alimentación de la RCU a través del mismo cable paralelo por el cual seria enviada la
data.
Tal y como se decidió en diversas reuniones entre los ingenieros de la empresa, la
alimentación de cada una de las RCU debería viajar a través del mismo cable paralelo por el cual
iría transmitida la data, con el fin de disminuir el numero de cables conectados a la misma. De
esta forma, una vez instalada y fijada la RCU, tan solo sería necesario conectarle a ella el
conector paralelo y los cables de control del equipo asociado a la misma, para que esta pueda
funcionar.
41
4
CAPÍTULO IV- UNIDAD REMOTA DE CONTROL: IMPLEMENTACIÓN
En este capitulo se presenta la metodología utilizada para lograr el diseño definitivo de la
nueva Unidad Remota de Control, desde el inicio del proyecto de grado, en el cual los trabajos se
enfocaron a la instalación y conocimiento de los sistemas de automatización actuales, hasta el
diseño y construcción de la nueva unidad remota.
4.1
DOCUMENTACIÓN Y CONOCIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE
AUTOMATIZACIÓN
Previo a la búsqueda de una solución al problema, se enfocó el trabajo al
conocimiento y entendimiento de los diferentes tipos de sistemas de automatización y su
funcionamiento. Esto fue alcanzado mediante la supervisión e instalación misma de estos
sistemas en algunas obras de Caracas y el interior del país.
En primer lugar, se viajo a la ciudad de Valencia a conocer el funcionamiento de los
primeros sistemas de automatización instalados por la empresa Electbus Corporation. Este
sistema, instalado en una torre perteneciente a una importante entidad bancaria del país, tiene un
sistema de automatización totalmente centralizado, en la cual se encuentran integrados los
sistemas antifuegos, iluminación, aires acondicionados, control de acceso, alarma antirrobo y
ascensores, los cuales son controlados por dos grandes PLC, uno ubicado en el sótano 1 del
edificio y el otro ubicado en la oficina de condominio del edificio.
Luego de haber conocido este sistema, se empezaron a realizar trabajos en una torre
comercial ubicada en Chacao, en la ciudad de Caracas. El objetivo del proyecto contratado para
esta torre consistía en el monitoreo y control de cada una de las Unidades Manejadoras de Aire en
las diferentes oficinas del edificio, para lograr así, por parte de la administración de dicho
edificio, un cobro justo y proporcional al uso por concepto de aires acondicionados, a cada uno
de los inquilinos del edificio, lo cual se lograría instalando en cada una de las UMA del edificio
una Unidad Terminal Remota desarrollada por Electbus de la forma en que se muestra en la
figura 16. Los trabajos realizados en este edificio estuvieron enfocados en la supervisión de la
42
instalación de las RTU encargadas de realizar el monitoreo y control, instalación misma de estas
RTU, y posteriormente, la comprobación por medio de un software de pruebas, del correcto
funcionamiento de cada una de estas RTU.
Figura 16: Diagrama de instalación de RTU para el monitoreo del uso del aire acondicionado
Es importante señalar que la torre donde fue instalado este sistema tiene ubicados en la
mezzanina del edificio unos refrigeradores o chillers como se les conoce por su nombre en inglés,
los cuales están encargados de enfriar agua y bombearla a todos los pisos a una temperatura
cercana a los 12 ºC, de forma de enfriar así, a través de radiadores, el aire que llegaría a cada uno
de los pisos u oficinas manejado por las UMA.
El sistema instalado por Electbus Corporation en este edificio, monitorea exactamente el
momento en que se enciende la válvula que deja pasar el agua fría; así entonces, el software de
43
control del sistema, se encarga de multiplicar este tiempo por un factor constante K el cual es
distinto para la velocidad en la cual esté encendida la UMA en ese momento (alta, media o baja),
creando así un coeficiente para cada una de las UMAS, el cual será sumado al resto de los
coeficientes de los demás equipos del edificio, para que a la hora de realizar el cobro, y, a través
de una sencilla regla de tres, la cual es calculada también por el programa de control, se realice el
cobro proporcional a cada uno de los inquilinos del edificio. Las ecuaciones mediante las cuales
se realizarían estos cobros, son entonces las siguientes.
X n = T1 xK1 + T2 xK 2 + T3 xK 3
Luego,
FacturaTotal X T
=
Factura n
Xn
Donde
•
•
•
•
•
•
Xn Î Coeficiente de cobro del inquilino n del edificio.
Xt Î Suma de los coeficientes de cobro de todos los inquilinos del edificio.
T1, T2, T3 Î Tiempo de encendido del aire acondicionado en las velocidades
alta, media y baja respectivamente.
K1, K2, K3 Î Constante de cobro por cada velocidad.
Factura total Î Importe de la factura del aire acondicionado de todo el edificio.
Factura n Î Importe de la factura del aire acondicionado al inquilino n del
edificio.
Por otra parte, y gracias a que la alimentación de ellos esta cableada a través de la salida
del RTU, el sistema instalado por Electbus, es capaz de cortar independientemente el encendido
de la válvula de agua fría del radiador de cierta UMA o el ventilador de la misma, desde el
computador central ubicado en la oficina de administración, en caso de que sea necesario realizar
un apagado de emergencia o de que exista un retraso importante en el pago por concepto de estos
servicios.
Una vez finalizado los trabajos de automatización de aires acondicionados en Chacao, el
siguiente paso fue el de la supervisión e instalación de un nuevo proyecto contratado por la
empresa para un centro comercial ubicado en la urbanización Las Mercedes en la ciudad de
Caracas, de forma de llegar a conocer así, el funcionamiento y los pormenores de este sistema.
Este proyecto consistía en la automatización e integración de los equipos de iluminación,
44
protección contra incendios, sistemas de seguridad, aires acondicionados y demás equipos
electromecánicos (ascensores, escaleras mecánicas, etc.) bajo un sistema capaz de controlar y
monitorear cada uno de estos equipos, bien sea desde una oficina ubicada en el centro de
comunicaciones del centro comercial, o desde un punto remoto, vía Internet.
El monitoreo y control de los equipos de este centro comercial se realizó mediante la
instalación de un total de cuarenta PLC de 24 entradas y 24 salidas cada uno (ver figura 17), los
cuales estarían distribuidos en cada uno de los pisos del centro comercial, y que a su vez estarían
comunicados por medio de un cable inteligente el cual los vincularía a su vez con el computador
central de control ubicado en el Sótano 1.
Figura 17: Diagrama de los PLC utilizados en el centro comercial en Las Mercedes
La integración de cada uno de los equipos electromecánicos del centro comercial, se
realizó, tal y como se puede ver en la figura 18 utilizando relés y contactores. En este caso en
particular, el modulo de salidas del PLC, el cual tiene su cable común conectado a una fuente de
24 VDC activa una salida la cual automáticamente enciende un relé de paso, el cual a su vez
45
enciende un contactor que será el encargado de prender o apagar el equipo en cuestión; al mismo
tiempo, otro cable conectado a un contacto diferente, pero del mismo contactor, envía una señal
de confirmación de encendido del equipo de vuelta al PLC, esto con el fin de que tanto el
software como el usuario que haya enviado la señal de encendido / apagado sepa que el equipo si
realizó la orden requerida.
Figura 18: Diagrama de cableado de equipos en centro comercial en Las Mercedes
Los trabajos realizados en este proyecto incluyeron la supervisión de la instalación y
cableado desde los PLC hasta las cajas de control de los equipos, conexión de los relés y
contactores dentro de estas cajas y la realización de pruebas utilizando un software provisional
para comprobar el correcto funcionamiento de los PLC y de las cajas de control.
4.2
LA NUEVA RCU
Una vez conocido el funcionamiento de los sistemas de automatización instalados por la
empresa Electbus, y sabiendo ya, cuales eran los requerimientos de la empresa para los nuevos
sistemas de automatización totalmente descentralizados, se procedió a realizar el diseño de la
nueva Unidad Remota de Control, tanto maestra como esclava, la cual formaría una parte
fundamental de esta nueva topología, ya que sería ella la encargada de establecer un vinculo entre
el software y los equipos a ser controlados.
46
4.2.1
RCU Esclava: Primer prototipo
La nueva RCU esclava, la cual estará basada en el diagrama de bloques de la figura 19, será la
encargada de encender y apagar independientemente, sus dos salidas de relé dependiendo de las
órdenes que la misma reciba a través de un cable paralelo de comunicaciones provenientes de la
RCU maestra.
Entradas
Alimentacion
Direccionamiento
Salidas
Figura 19: Diagrama de bloques del primer prototipo de RCU esclava
Previo a la explicación del funcionamiento de la RCU esclava y del diagrama de bloques
anteriormente expuesto, es necesario especificar la arquitectura y las comunicaciones entre estos
equipos. Tal y como se explicó anteriormente, para lograr la comunicación entre la RCU maestra
de cada subred y el LMI o computador central encargado de gobernarla, se utilizó comunicación
serial RS – 485 aplicando el protocolo de comunicaciones MODBUS, mientras que para la
comunicación entre la RCU maestra y las RCU esclavas, se utilizó un bus de datos de 8 bits, el
cual ha sido denominado para efectos de este proyecto como el cable paralelo de comunicaciones,
a través del cual viaja la información relacionada con las direcciones y el estado de las entradas y
salidas. A su vez existen también tres cables o banderas de control. Una para indicar que la data
que viaja a través del bus de direcciones es una dirección, otra para indicar que la data que viaja
en el bus es referente al estado que deben adoptar las salidas, y la tercera bandera, para indicar
que la data que se encuentra en el bus de direcciones es una lectura del estado de las entradas de
alguna de las RCU esclavas asociadas a dicha maestra.
Siguiendo entonces las bases propuestas por el diagrama de bloques antes expuesto, se
diseñó una máquina de estados que fuese capaz de comparar una dirección recibida a través del
cable paralelo de comunicaciones con la dirección propia de la remota, la cual es asignada con un
47
dip switch. Posteriormente, en caso de que ambas direcciones sean iguales, lo que implica que las
órdenes a ser enviadas a continuación por la remota maestra son para que las acate la esclava en
cuestión, la misma levantara una bandera que active sus entradas y salidas. Por otra parte, en caso
de que la dirección recibida a través del bus de datos y la dirección propia de la remota no fuesen
iguales, esta deberá entonces ignorar las ordenes enviadas a continuación hasta que se reciba de
nuevo una dirección, momento en el cual la esclava realizaría de nuevo la comparación de
direcciones.
•
Alimentación:
Para alimentar esta RCU se necesitan de dos valores de voltajes diferentes. En
primer lugar, se necesita de 24 VDC para el encendido y apagado de los relés, y en
segundo lugar, de 5VDC para alimentación de toda la circuiteria y dispositivos internos,
los cuales son alimentados con niveles TTL. Para lograr esto, tal y como se puede apreciar
en la figura 20, se utilizaron 4 cables del puerto paralelo de comunicaciones, dos de ellos
para llevar el positivo de 24 VDC, y los otros para llevar la tierra. Una vez que se tuvo
una línea con 24 VDC en la RCU, se utilizaron dos tipos de reguladores de voltaje para
conseguir el nivel deseado: en primer lugar el LM7812 el cual tendría en su entrada 24
VDC y en su salida 12 VDC, y en segundo lugar, el LM7805 el cual se encargaría de
transformar la entrada de 12 voltios hasta el valor final de 5 voltios DC.
Figura 20: Sub circuito de alimentación de la RCU esclava
Asimismo, se utilizo un LED indicador de encendido del equipo, el cual presenta
en sus niveles normales de operación una diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo
48
y el cátodo de 0,7 voltios, por lo que se utilizó un valor de resistencia de 1KΩ para limitar
la corriente del mismo cerca de los 5 mA, valor que entra cómodamente dentro de los
límites de funcionamiento del LED
5V − 0,7V = 4,3V
4,3V
V
V = I .R → R = →
= 860Ω ≈ 1KΩ
0,005 A
I
•
Direccionamiento:
El direccionamiento de cada una de las RCU esclavas debía ser asignado mediante
la utilización de un dip switch de ocho pines, por lo que se utilizó un comparador
74HC688, el cual es capaz de comparar dos “palabras” de ocho bits cada una, y modificar
el estado de una salida o “bandera” dependiendo de si ambas palabras son iguales o
diferentes. De esta forma, una de las entadas del 74HC688 iría conectada directamente al
bus de datos mientras que la otra estaría entonces conectada con una resistencia de pull up
de por medio a tierra, a través del dip switch. Por otro lado, un flip-flop “tipo D” se
encargaría de mantener fijo el estado de esta bandera, al recibir el pulso proveniente del
cable de dirección o Address Enable bit (Ver figura 21), habilitando así una salida llamada
latch de dirección la cual sería equivalente a un uno lógico cuando la información en el
bus de datos sea igual a la dirección de la RCU en el momento en que se envía el Address
Enable Bit y sería equivalente a un cero lógico en caso contrario.
Para el cálculo del valor máximo de las resistencias de pull up, se realizaron los
siguientes cálculos tomando en cuenta que el valor mínimo de voltaje que el 74HC688
reconoce como un uno lógico es 3,15V y la corriente de entrada del mismo es de 80μA:
5V − 3,15V = 1,85V
V
1,85V
V = I .R → R = →
= 23.125Ω ⇒ R = 10 KΩ
I
80 μA
49
Figura 21: Sub circuito de direccionamiento
•
Entradas:
Para la lógica del sub circuito de entrada de la RCU esclava a ser diseñada, se
utilizó un circuito integrado 74LS374, el cual no es mas que ocho flip-flop en paralelo, los
cuales al recibir el pulso de reloj, dejarían pasar el estado de las entradas del RCU hacia el
bus de datos. Este pulso de reloj proviene, tal y como se puede observar en la figura 22, de
un AND entre la bandera de dirección o latch de dirección y el cable que habilita la lectura
o Read Enable bit. De esta forma, las salidas se activaran únicamente cuando la dirección
previamente enviada por la RCU maestra sea la de la esclava en cuestión, y a su vez, esta
reciba el pulso del Read Enable Bit proveniente de la RCU maestra.
50
Figura 22: Subcircuito de entradas del RCU
Por otra parte, se utilizaron opto acopladores PC3H4 tipo AC para acoplar las entradas,
que típicamente irían conectadas a circuitos de 110 VAC con el resto del circuito, el cual utiliza
niveles TTL de alimentación.
•
Salidas:
Para el diseño del bloque correspondiente a las salidas del RCU se utilizó un
circuito integrado 74LS374, el cual al recibir el pulso de reloj, conformado por un AND
entre la bandera de dirección y el cable de escritura o Write_Enable_bit deja pasar la
palabra de 8 bits enviada por la RCU maestra que indica que entradas van encenderse y
que entradas van a apagarse. (Ver Figura 23).
Para lograr que la RCU maestra, la cual envía información a niveles TTL de
voltaje (donde un uno lógico tiene un valor cercano a los 5VDC y un cero lógico tiene un
valor cercano a los 0 VDC) sea capaz de encender los relés de 24 voltios, fue necesario
emplear un arreglo de 8 transistores tipo Darlington integrados bajo el IC ULN2803, el
cual viene a su vez con sus salidas tipo colector abierto y diodo de Free Wheeling para
51
suprimir los picos transitorios que ocurren al momento del encendido / apagado de la
bobina de los relés.
Figura 23: Subcircuito de salidas del RCU
De la integración de todos estos bloques, principalmente a través del bus de datos, surge el
primer prototipo de la nueva RCU esclava, la cual, tal y como se explicó anteriormente es capaz
de recibir ordenes de la RCU maestra y actuar sobre sus entradas y salidas a partir de esas
ordenes recibidas.
4.2.2
RCU Maestra: Primer prototipo
El diseño de la RCU maestra se realizó pensando en disminuir al máximo los costos del
mismo, por lo cual se realizo el diseño, de forma que la misma pueda cumplir dos funciones: la
de RCU maestra, encargada de recibir información a través de un puerto serial de
comunicaciones, y decodificarla y transmitirla a través de un cable paralelo, y la segunda función
que la misma debía cumplir es la de RCU esclava con su dip switch de direccionamiento y todos
sus demás componentes, de forma de recibir órdenes de la remota maestra y ejecutarlas sobre sus
entradas y salidas. De esta forma, la RCU maestra luciría idéntica a la esclava en el exterior, e
52
inclusive, la tarjeta de circuito impresa (PCB, por sus siglas en ingles) sería la misma para ambos
tipos de RCU, con la diferencia de que la RCU maestra tendría algunos componentes extras,
soldados a ella.
En consecuencia, podemos decir que el diagrama de bloques de una RCU maestra es, tal y
como se muestra en la figura 24, igual al de la RCU esclava explicado anteriormente, pero con la
diferencia de que tiene el bloque encargado de la comunicación serial antepuesto a esta.
COMUNICACION SERIAL
RCU ESCLAVA
Figura 24: Diagrama de bloques de la RCU esclava
•
Comunicación Serial:
El bloque correspondiente a la comunicación serial de la RCU maestra, esta
conformado principalmente por un microcontrolador PIC, todo el circuito necesario para
el funcionamiento del mismo, y los componentes necesarios para lograr la comunicación
utilizando los estándares RS – 485 tal y como se puede observar en la figura 25.
Figura 25: Diseño del subcircuito de la RCU maestra
53
Para el diseño de la RCU se utilizó un PIC 18F252 el cual contiene una memoria FLASH
incorporada de 32Kbytes en la cual se pueden programar hasta un total de 16384 instrucciones.
De este microcontrolador, se utilizaron los pines RA0, RA1 y RA2 del puerto A para los bits de
control, mientras que los pines RB0 Æ RB7 pertenecientes al puerto B del dispositivo van
directamente conectados al BUS de datos, funcionando como entrada y/o salida dependiendo de
las necesidades del momento. Por otra parte, los pines RC6 y RC7, fueron utilizados para la
comunicación serial RS-485.
Para realizar la comunicación serial entre este dispositivo y el computador central se
utilizó el protocolo MODBUS RTU, el cual presenta la siguiente trama (Figura 26) para cada
mensaje:
Figura 26: Trama de datos de MODBUS RTU
• Arranque:
En este protocolo de comunicaciones, un mensaje se inicia con un intervalo
silencioso de al menos 3.5 caracteres de duración, lo cual se representa mas fácilmente
como un múltiplo de 4 tiempos de carácter a la velocidad de transmisión configurada en la
red serial. Asimismo, un intervalo silencioso de mas de 1.5 tiempos de carácter antes de
finalizar la trama, indica que el mensaje enviado está incompleto, y se asume que el
siguiente byte recibido será el campo DIRECCION de un nuevo mensaje.
• Dirección:
En este campo se envía la dirección de la RCU maestra sobre la cual se desea
realizar una acción. Cabe destacar que las direcciones válidas en este protocolo son entre
1 y 247, mientras que la dirección 0 se utiliza para los mensajes de difusión, los cuales
serán reconocidos por todas las RCU con capacidad de comunicarse en forma serial, es
decir, las RCU maestra.
54
• Función:
En este campo va la información relacionada con la acción que se quiere realizar
sobre la RCU direccionada. Los códigos validos en este campo están en el rango de 1 a
255, sin embargo las instrucciones no deben ser mayor de 127, ya que, en caso de ocurrir
un error en la recepción de la trama o en la ejecución de la acción, la RCU maestra
enviará de regreso al computador la misma función recibida, pero con el bit mas
significativo en uno, mientras que si todo ocurre con normalidad, el bit mas significativo
valdrá cero en la trama de respuesta.
• Datos:
El campo datos en un mensaje enviado desde un computador a un RCU, contiene
cualquier información necesaria para completar la acción requerida. Por ejemplo, en caso
de que se quiera encender una salida específica de alguna RCU esclava, en este campo ira
la información concerniente al número de esclava y a cual salida de esa esclava se
encenderá. Este mismo campo, en el mensaje de respuesta enviado desde el RCU hasta el
computador central, contendrá los datos solicitados en caso de que no exista ningún error,
mientras que en caso de error, contendrá la información necesaria para que el computador
central pueda realizar la siguiente acción.
• Comprobación de Error:
El protocolo Modbus RTU utiliza el método de Comprobación Cíclica
Redundante (CRC por sus siglas en inglés), el cual consiste en realizar operaciones
lógicas sobre cada uno de los bytes de la trama, y luego se agrega al final de la misma
para comprobar que no existe ningún error en la comunicación del mensaje [13].
Una vez definido el protocolo de comunicaciones y el funcionamiento de la RCU maestra,
se procedió a la programación del microcontrolador, la cual se hizo basándose en los diagramas
de flujo de las figuras 27 y 28 que se muestran a continuación.
55
Declaración e Inicialización
de variables y puertos
INICIO
StandBy
Figura 27: Diagrama de Flujo del programa principal de la RCU Maestra
RX_Interrupt
Address_RX
==
Address_MCU ?
NO
SI
Address_RX
==
0x00 (Broadcast)?
NO
Exit RX_Interrupt
SI
Funcion
==
Write??
SI
Send_Address
Send_Output
(DATA)
Pulse
Write_Enable
Send
TX_Response
Funcion
==
Read??
SI
Send_Address
Send_Input
(DATA)
Pulse
Read_Enable
Send
TX_Response
NO
NO
Funcion
==
Other??
SI
Send
TX_Error_Response
Exit RX_Interrupt
Figura 28: Diagrama de Flujo de la rutina de Interrupción por Buffer de Entrada Full
Luego de haber finalizado el diseño por separado de cada uno de los bloques, se procedió
a la integración de los mismos a través del BUS de datos y los cables de control, para luego
montar el circuito y realizar diversas pruebas en el protoboard las cuales resultaron exitosas.
Posteriormente se realizó el diseñó de del PCB utilizando la herramienta ORCAD Layout Plus®,
56
pero luego de realizar numerosos intentos, se concluyó que no era posible lograr montar dentro
de una tarjeta con las especificaciones de la empresa, toda la circuiteria de la RCU, por lo que se
procedió a realizar un segundo prototipo, cambiando las especificaciones del mismo, pero
tratando siempre de mantener las bases de funcionamiento de la misma.
4.2.3
RCU Esclava: Segundo prototipo
El segundo prototipo de la RCU esclava debía funcionar de forma similar al anteriormente
diseñado, pero con la diferencia de que esta vez, debía encender y apagar únicamente una salida
de relé, el cual ahora sería un relé tipo latch de doble bobina, encendido al enviar un pulso de
corriente hacia uno de esas bobinas, y apagado al enviar un pulso hacia la otra bobina; asimismo,
se sustituirían las entradas externas por una interna, la cual leería a través de un opto acoplador, si
la salida de dicho relé esta abierta o cerrada; de esta forma, la nueva RCU tendría únicamente dos
cables hacia el exterior. Uno común el cual iría conectado a la fase de 110 VAC, y una salida
que iría conectada directamente a los equipos o circuitos a ser controlados. Por otra parte, este
nuevo sistema se comunicaría de la misma forma en que lo hacia el anterior, utilizando un BUS
de datos de 8 bits, y tres cables de control que indicarían si al instrucción del BUS es una
dirección, una escritura o una lectura.
El diagrama de bloques de este segundo prototipo de RCU esclava es, tal y como se
muestra en la figura 29, aún mas sencillo que el anterior, debido a las partes que ya no serán
necesarias.
Alimentacion
Direccionamiento
Salida
Figura 29: Diagrama de bloques del segundo prototipo de RCU esclava
El bloque de salidas de esta nueva RCU, tal y como se muestra en la figura 30, fue
modificado para que ahora funcionara con el nuevo tipo de relé, el cual provee un control mas
confiable para este tipo de sistemas, y para disminuir el costo de la RCU y el numero de
componentes en la misma. De esta forma, se sustituyó el octal de flip-flops 74LS374 por una
57
compuerta AND triple, a la cual estarán conectados el Latch de Dirección, el Write Enable Bit y
un tercer cable el cual sería el bit 0 del BUS de datos para la bobina de encendido, y el bit 1 del
bus de datos para la bobina de apagado. Asimismo, se sustituyó el arreglo integrado de
transistores tipo Darlington ULN2803, por transistores individuales 2N3904 los cuales cumplen
la misma función que el IC utilizado anteriormente, y se incluyeron diodos 1n4004 que se
encargarán de eliminar los picos transitorios de corriente originados por el encendido y apagado
de las bobinas del relé.
Figura 30: Bloque de Salidas del segundo prototipo de RCU esclavo
Por otra parte, tanto para el bloque de alimentación como para el bloque de
direccionamiento y entradas esta nueva versión de la RCU esclava, se mantuvo el mismo circuito
utilizado para la primera versión, y que se puede observar en la figuras 20, 21 y 22 siendo el
único cambio realizado para esta versión, la eliminación de tres de los optoacopladores de
entrada.
58
Una vez finalizado y probado en protoboard el funcionamiento del nuevo circuito, se
procedió al diseño del PCB de la nueva RCU esclava utilizando la herramienta ORCAD Layout
Plus®, teniendo como resultado una tarjeta impresa como se muestra en la figura 31 mostrada a
continuación.
Figura 31: a) Capa superior del PCB del segundo prototipo de la RCU esclava. b) Capa inferior del PCB del
segundo prototipo de la RCU esclava.
El último paso previo a la fabricación del primer prototipo de Unidad Remota de Control,
fue el de diseño de la carcasa protectora que cubriría la misma, para el cual se utilizó la
herramienta SolidWorks® realizando un diseño el de la figura 32, para luego pasar a la
fabricación de la primera de estas unidades y comprobar así que la misma cumpliera con los
requerimientos de la empresa.
59
Figura 32: Diseño de la carcasa protectora de la RCU esclava
4.2.4 RCU Maestra: Segundo prototipo
Para que el nuevo diseño de la Unidad de Control Remoto Maestra, cumpliera con las
especificaciones de la empresa, se abandonó la idea anterior de integrarla a una RCU esclava, de
forma de ahorrar espacio en el PCB. Esta vez se realizó el diseño de la misma de forma que
cumpliera únicamente con los objetivos de una RCU maestra: recibir órdenes provenientes del
computador central, Modulo de Interfaz Local o cualquier otra interfaz entre el sistema y la
persona encargada de controlarlo al que fuese conectado utilizando el protocolo Modbus RTU,
para luego decodificar estas órdenes y enviarlas a través del BUS de datos a las RCU esclavas
asociadas a ella. Cabe destacar, que el diseño de la RCU maestra se debe realizar de forma de que
en un futuro, la misma pueda ser rediseñada para incluir en ella cierta memoria o inteligencia que
tome decisiones por si misma, de acuerdo a ciertos parámetros recibidos, y para que a su vez, los
datos o las órdenes que ella misma reciba no provengan únicamente vía comunicación serial RS485, sino que puedan utilizarse protocolos Ethernet o IP.
El circuito de la nueva RCU maestra, tal y como se puede observar en la figura 33, se
mantuvo idéntico al realizado originalmente para el primer prototipo de esta remota, pero con la
diferencia de que ahora se le incluyó protección contra el ruido adicional, como lo es un inductor
60
de 220 μH a la entrada, y un conector para realizar la programación del mismo una vez que el
mismo esté soldado a la tarjeta de circuito impreso.
Figura 33: Circuito del segundo prototipo de la RCU Maestra
Una vez finalizado y probado en protoboard el diseño del circuito de la RCU maestra, se
procedió con el diseño del PCB y de la carcasa protectora de la misma, las cuales se muestran en
las figuras 34 y 35 presentadas a continuación.
61
Figura 34: a) Capa superior del PCB del segundo prototipo de la RCU maestra. b) Capa inferior del PCB del segundo prototipo
de la RCU maestra.
Figura 35: Diseño de la carcasa protectora de la RCU maestra
62
5
CAPÍTULO V – UNIDAD REMOTA DE CONTROL: RESULTADOS
En este capítulo se presentan los resultados obtenidos luego de haber finalizado el diseño
y construcción de los prototipos de la Unidad Remota de Control desarrollada durante este
proyecto. Asimismo, se realizo un análisis de los costos necesarios tanto para la fabricación del
primer prototipo como para la fabricación en masa de los mismos.
5.1
RESULTADOS Y PRUEBAS REALIZADAS
Una vez finalizado el diseño del segundo prototipo de los dos modelos de la nueva Unidad
Remota de Control, se procedió a la fabricación del primer prototipo de las mismas, para lo cual
se envió los diseños de los PCB realizados en ORCAD Layout Plus® al proveedor de tarjetas de
circuito impreso de la compañía. Luego de tener estas tarjetas en físico, se procedió a soldar los
componentes a las mismas de forma que el producto estuviese listo y funcional.
Aun cuando hubo un error en el diseño del PCB, en el cual se coloco en la etapa de diseño
un componente al revés, este problema se soluciono de forma provisional para que fuesen
realizadas las pruebas necesarias para verificar el correcto funcionamiento de la misma. Estas
pruebas fueron realizadas mediante un programa de pruebas que fue instalado en el
microcontrolador de la RCU maestra, de forma que la misma recibiera órdenes de la computadora
y las enviara a la RCU esclava. Este programa de pruebas tan solo leía un carácter proveniente
del puerto serial del MCU y, dependiendo de cual fuese ese carácter, el mismo debía enviar la
orden de encender o apagar cierta salida de una RCU esclava, o de leer el estado de esta salida.
Estas pruebas fueron realizadas mediante la conexión en paralelo de tres RCU esclavas,
cada una con una dirección diferente asociadas a una sola remota maestra. El resultado de esta
prueba fue satisfactorio, ya que las remotas esclavas se comportaban exactamente de acuerdo a lo
esperado, obedeciendo las órdenes exactas provenientes de la maestra siempre y cuando dicha
orden fuese dirigida a ellas. En los casos en que la orden enviada era para otra RCU esclava, el
63
resto de las remotas permanecían sin cambiar de estado sus salidas y sin realizar ninguna lectura,
es decir, hacían caso omiso de las instrucciones.
5.2
ANÁLISIS DE COSTOS
Cuando la empresa Electbus decidió realizar o crear esta nueva topología de
automatización, uno de las principales requisitos para que la misma fuese factible, era lograr que
las RCU tanto maestras como esclavas tuviesen un costo de fabricación muy bajo, de al menos un
5% del costo de un PLC o RTU de mayor tamaño, de forma de que el hecho de sustituir uno de
estos, por varias de estas unidades de menor tamaño, fuese económicamente provechoso para la
empresa. De esta forma, se realizó un análisis del costo de producción, en primer lugar del primer
prototipo de RCU, y en segundo lugar del precio unitario de cada remota en caso de que se fuesen
a producir un total de mil estos equipos.
5.2.1 RCU Esclava: Primer Prototipo
Tabla 2: Tabla de costos del primer prototipo de la RCU Esclava
Cantidad
Descripción
4
8
7
1
4
1
2
1
1
1
7
2
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
Capacitor 10 μF
Capacitor 0,1 μF
Leds
Diodo 1N4005
Optoacoplador PC3H4
Conector DB15 hembra
Relé 24V, Estándar, 1 Bobina
Arreglo de 4 Resistencia 68 KΩ
Arreglo de 8 Resistencia 10 KΩ
Arreglo de 5 Resistencia 47 KΩ
Resistencia 1 KΩ
Resistencias de 47 KΩ
Dip Switch 8 Posiciones
IC LM7812
IC LM7805
IC 74HC688
IC 74AC74
IC 74LS374
IC ULN2803
Conector Salida (6 Pos.)
Conector Entrada (5 Pos.)
IC 74LS08
Precio
Unitario en
US$ (1)
0,4200
0,2000
0,7600
0,0690
0,6900
3,4700
7,3500
0,5400
0,7100
0,1120
0,0520
0,0520
1,4300
0,8100
0,8000
0,8100
0,5000
0,8000
1,0500
1,7200
1,4800
0,5600
Precio
unitario en
US$ (1000)
0,1232
0,0432
0,2422
0,0414
0,3450
1,4962
5,2500
0,2410
0,4720
0,1120
0,0124
0,0075
0,7420
0,3591
0,2660
0,3591
0,1400
0,2660
0,4060
1,3000
1,2000
0,1862
Precio en
US$ (1)
Precio en
US$ (1000)
1,6800
1,6000
5,3200
0,0690
2,7600
3,4700
14,7000
0,5400
0,7100
0,1120
0,3640
0,1040
1,4300
0,8100
0,8000
0,8100
0,5000
1,6000
1,0500
1,7200
1,4800
0,5600
0,4928
3,456
1,6954
0,0414
1,3800
1,4962
10,5000
0,2410
0,4720
0,1120
0,0868
0,015
0,7420
0,3591
0,2660
0,3591
0,1400
0,5320
0,4060
1,3000
1,2000
0,1862
64
1
IC 74LS04
0,4500
Total Precio por unidad
0,1260
0,4500
0,1260
42,6390
25,6050
Es importante señalar, que los costos incluidos en la tabla 2 para el análisis de costo realizado
para este trabajo de grado, tan solo incluyen los costos por conceptos de componentes, por lo que
es necesario sumar a las cantidades antes expuestas, el costo de fabricación del PCB, el costo de
soldadura de los componentes al PCB, el costo de manufactura de la carcasa protectora y
ensamblaje del dispositivo, y demás costos varios asociados a la manufactura de las mismas. Es
importante señalar, que aún cuando el análisis de costo original incluye estos montos, los mismos
no fueron publicados en este trabajo, debido a las exigencias de la empresa de guardar cierto
grado de confidencialidad en cuanto a sus costos de manufactura y producción de estas unidades.
5.2.2 RCU Maestra: Primer prototipo
Tabla 3: Tabla de costos del primer prototipo de la RCU Esclava
Cantidad
Descripción
4
2
10
1
1
7
1
1
1
1
4
1
2
1
1
1
7
2
2
1
1
1
1
1
1
Capacitor 10 μF
Capacitor 15 pF
Capacitor 0,1 μF
DN1 Diodo Dual
DN2 Diodo Dual
Leds
Diodo 1N4005
Diodo Zener 12V 1N5927
Diodo Zener 7V 1N5922
Conector RJ11
Optoacoplador PC3H4
Conector DB15 macho
Relé 24V, Estándar, 1 Bobina
Arreglo de 4 Resistencia 68 KΩ
Arreglo de 8 Resistencia 10 KΩ
Arreglo de 5 Resistencia 47 KΩ
Resistencia 1 KΩ
Resistencias de 47 KΩ
Resistencia 100Ω
Dip Switch 8 posiciones
Pulsador SW2
IC LM7812
IC LM7805
IC MAX485
IC 74HC688
Precio
Unitario en
US$ (1)
0,4200
0,2380
0,2000
0,1860
0,1520
0,7600
0,0690
0,3860
0,3860
4,6100
0,6900
3,4700
7,3500
0,5400
0,7100
0,1120
0,0520
0,0520
0,0480
1,4300
0,9400
0,8100
0,8000
2,7600
0,8100
Precio
unitario en
US$ (1000)
0,1232
0,0700
0,0432
0,0377
0,0380
0,2422
0,0414
0,1387
0,1387
2,6900
0,3450
1,4962
5,2500
0,2410
0,4720
0,1120
0,0124
0,0075
0,0120
0,7420
0,6000
0,3591
0,2660
1,0260
0,3591
Precio en
US$ (1)
Precio en
US$ (1000)
1,6800
0.4760
2,0000
0,1860
0,1520
5,3200
0,0690
0,3860
0,3860
4,6100
2,7600
3,4700
14,7000
0,5400
0,7100
0,1120
0,3640
0,1040
0,0960
1,4300
0,9400
0,8100
0,8000
2,7600
0,8100
0,4928
0,1400
0,4320
0,0377
0,0380
1,6954
0,0414
0,1387
0,1387
2,6900
1,3800
1,4962
10,5000
0,2410
0,4720
0,1120
0,0868
0,015
0,0240
0,7420
0,6000
0,3591
0,2660
1,0260
0,3591
65
1
2
1
1
1
1
1
1
1
IC 74AC74
IC 74LS374
IC ULN2803
Conector Salida (6 Pos.)
Conector Entrada (5 Pos.)
IC 74LS08
IC 74LS04
Cristal 10 MHZ
Microcontrolador PIC18F252
0,5000
0,8000
1,0500
1,7200
1,4800
0,5600
0,4500
0,9600
9,2500
0,1400
0,2660
0,4060
1,3000
1,2000
0,1862
0,1260
0,4240
5,1500
Total Precio por unidad
0,5000
1,6000
1,0500
1,7200
1,4800
0,5600
0,4500
0,9600
9,2500
0,1400
0,5320
0,4060
1,3000
1,2000
0,1862
0,1260
0,4240
5,1500
61,9850
32,9881
Tal como podemos notar en las tabla 2 y 3, el costo de los componentes de una RCU
esclava es aproximadamente un 30% menor que el de los componentes de la maestra, esto se
debe a que para el cálculo de los costos de esta RCU maestra se sumaron los componentes para la
realización de una RCU maestra asociada a una esclava, por lo que en la misma tarjeta de circuito
impreso iría el microcontrolador y su circuiteria asociada, y los componentes que conforman una
RCU esclava, por lo que la misma sería capaz de cumplir ambas funciones, es decir, en este caso,
el costo asociado a la fabricación de una unidad remota maestra incluye de por si, la primera
esclava que iría asociada a ella.
5.2.3 RCU Esclava: Segundo prototipo
Tabla 4: Tabla de costos del segundo prototipo de la RCU Esclava
Cantidad
Descripción
1
7
2
2
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
Capacitor 10 μF
Capacitor 0,1 μF
Leds
Diodo 1N4005
Optoacoplador PC3H4
Conector DB15 hembra
Relé 24V, Tipo Latch, 2 Bobinas
Arreglo de 8 Resistencia 10 KΩ
Resistencia 1 KΩ
Dip Switch 8 Posiciones
IC LM7812
IC LM7805
IC 74HC688
IC 74AC74
IC 74LS374
IC 74LS04
Total Precio por unidad
Precio
Unitario en
US$ (1)
0,4200
0,2000
0,7600
0,0690
0,6900
3,4700
7,7500
0,7100
0,0520
1,4300
0,8100
0,8000
0,8100
0,5000
0,8000
0,4500
Precio
unitario en
US$ (1000)
0,1232
0,0432
0,2422
0,0414
0,3450
1,4962
5,9000
0,4720
0,0124
0,7420
0,3591
0,2660
0,3591
0,1400
0,2660
0,1260
Precio en
US$ (1)
Precio en
US$ (1000)
0,4200
1,4000
1,5200
0,1380
0,6900
3,4700
7,7500
0,7100
0,1040
1,4300
0,8100
0,8000
0,8100
0,5000
0,8000
0,4500
0,1232
,3024
0,4844
0,0828
0,3450
1,4962
5,9000
0,4720
0,0248
0,7420
0,3591
0,2660
0,3591
0,1400
0,2660
0,1260
21,8020
11,4890
66
Tal como podemos notar luego de observar la tabla 4, los costos por componentes de esta
versión de la RCU esclava han disminuido en mas del 50% con respecto al modelo anterior, esto
gracias a la optimización del diseño con respecto al costo, y al hecho de que el mismo ahora
únicamente será capaz de controlar una salida, a diferencia de dos como lo hacia la primera
versión. Asimismo, este nuevo prototipo de remota esclava no contiene entradas externas, por lo
que se han eliminado los costos relacionados con ese concepto.
5.2.4 RCU Maestra: Segundo prototipo
Tabla 5: Tabla de costos del segundo prototipo de la RCU Maestra
Cantidad
Descripción
1
4
1
2
10
1
1
1
7
1
1
1
1
1
2
2
2
3
1
3
1
1
1
1
1
Capacitor 1000 μF
Capacitor 10 μF
Capacitor 470 μF
Capacitor 15 pF
Capacitor 0,1 μF
Inductor 220 μH
DN1 Diodo Dual
DN2 Diodo Dual
Leds
Varistor 30V
Diodo Zener 12V 1N5927
Diodo Zener 7V 1N5922
Conector RJ11
Conector DB15 macho
Resistencias de 47 KΩ
Resistencias 4,7KΩ
Resistencia 100Ω
Pulsadores
Dip Switch 8 posiciones
Pulsador SW2
IC LM7812
IC LM7805
IC MAX485
Cristal 10 MHZ
Microcontrolador PIC18F252
Total Precio por unidad
Precio
Unitario en
US$ (1)
0,9200
0,4200
0,3600
0,2380
0,2000
1,0800
0,1860
0,1520
0,7600
0,9000
0,3860
0,3860
4,6100
3,4700
0,0520
0,0520
0,0480
0,6500
1,4300
0,9400
0,8100
0,8000
2,7600
0,9600
9,2500
Precio
unitario en
US$ (1000)
0,2902
0,1232
0,1050
0,0700
0,0432
0,9200
0,0377
0,0380
0,2422
0,4096
0,1387
0,1387
2,6900
1,4962
0,0075
0,0072
0,0120
0,2900
0,7420
0,6000
0,3591
0,2660
1,0260
0,4240
5,1500
Precio en
US$ (1)
Precio en
US$ (1000)
0,9200
1,6800
0,3600
0.4760
2,0000
1,0800
0,1860
0,1520
5,3200
0,9000
0,3860
0,3860
4,6100
3,4700
0,1040
0,1040
0,0960
1,9500
1,4300
2,8200
0,8100
0,8000
2,7600
0,9600
9,2500
0,2902
0,4928
0,1050
0,1400
0,4320
0,9200
0,0377
0,0380
1,6954
0,4096
0,1387
0,1387
2,6900
1,4962
0,015
0,0144
0,0240
0,8700
0,7420
1,800
0,3591
0,2660
1,0260
0,4240
5,1500
39,5740
19,7148
En este caso, y tal y como se puede observar en la tabla 5 podemos decir que el costo por
concepto de componentes de una RCU maestra, ha disminuido desde el primer prototipo hasta el
segundo, aproximadamente entre un 30 y un 40% debido a que ahora la misma no contiene los
67
componentes asociados a la RCU esclava sino únicamente los necesarios para que la misma
reciba las órdenes a través del puerto serial y las reenvíe hacia las esclavas a través del cable
paralelo.
68
6
CAPÍTULO VI - CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
A continuación se presentan las conclusiones obtenidas luego de haber realizado el diseño
y desarrollo del primer prototipo de Unidad Remota de Control para la Automatización de
edificios de la empresa Electbus Corporation, y de esta forma dar respuesta a diversas preguntas
claves que han surgido durante la realización de este proyecto de grado. También se ofrecen
algunas recomendaciones que ayudarán a obtener el éxito esperado con esta nueva herramienta, y
facilitar así el proceso de implantación de este nuevo dispositivo como punta de lanza de la nueva
topología de automatización propuesta por la empresa.
6.1
CONCLUSIONES
•
La principal ventaja del desarrollo y manufactura de este nuevo equipo de
automatización radica en el hecho de que la instalación de los mismos en la obra
se facilita de manera significativa ya que no es necesario realizar el cableado
desde la ubicación del equipo a ser controlado, hasta una ubicación remota en
donde se encuentra el equipo controlador, sino que mas bien, lo cables de control
y monitoreo de cada uno de los equipos o sistemas a ser integrados van hasta un
tablero local ubicado en las cercanías del mismo.
•
Al disminuir la complejidad del cableado de los equipos a ser automatizados en
una edificación, automáticamente se disminuyen en la misma proporción los
costos por concepto de mano de obra a la hora de instalar un sistema de
automatización, bien sea una obra en construcción, o una obra ya culminada.
•
De las experiencias obtenidas en los trabajos realizados previos al diseño de la
nueva Unidad Remota de Control, en los cuales surgieron innumerables problemas
y retrasos debidos a fallas en los sistemas y equipos utilizados, y a conflictos de
69
comunicación a consecuencia del ruido existente en las diferentes obras, causado
bien sea por los bombillos de neón, los motores de las UMA y demás cargas
inductivas, se concluyó que la nueva remota se debía diseñar de forma que la
misma funcione de manera muy sencilla, y en la medida de lo posible, utilizando
componentes que fuesen robustos y resistentes al ruido para garantizar de esta
forma el correcto funcionamiento del mismo y una comunicación confiable entre
los diferentes equipos del sistema de automatización.
•
El costo de manufactura de estas nuevas Unidades Remotas de Control es similar
al costo bien sea por la compra de RTU o PLC fabricados por terceros o al costo
de manufactura de los equipos utilizados y manufacturados por la compañía para
los proyectos de automatización previamente contratados y que actualmente se
encuentran en funcionamiento, por lo que no se espera ni el ahorro de cantidades
importantes de dinero, ni un aumento en los gastos por parte de la compañía por
este concepto.
•
En conversaciones realizadas tanto con el personal de la gerencia de
automatización, como con el personal obrero de la empresa, encargado de realizar
las instalaciones, se ha percibido un clima de confianza y expectativa con respecto
a la puesta en marcha de los proyectos de automatización utilizando la nueva
topología.
•
El diseño de la nueva RCU maestra se realizó teniendo en mente la posibilidad de
realizar mas adelante una mejora o actualización de la misma, de forma de que en
un futuro la comunicación de esta con el resto de los componentes del sistema de
automatización no sea únicamente vía comunicación serial RS – 485, sino que se
pueda realizar a través de un cable de Ethernet, o vía IP.
•
El diseño de la nueva RCU esclava se realizó pensando en el rediseño de la misma
en un futuro con el objetivo de lograr que las funciones de la misma no se limiten
únicamente al encendido y apagado de un circuito sino que además de esto, la
70
misma sea capaz de lograr la medición de la cantidad de corriente o potencia
consumidos por el mismo.
•
Este sistema fue creado con la idea de su expansión a futuro, de forma de que se
pueda desarrollar posteriormente diversos tipos de RCU esclavas con funciones
variadas, que van desde ser un equipo únicamente de entradas, hasta equipos con
entradas y/o salidas analógicas con los cuales se puedan controlar por ejemplo,
aires acondicionados, ascensores, etc.
6.2
RECOMENDACIONES
•
Debido a que la comunicación entre las RCU esclavas y la RCU maestra es
realizada de forma paralela, el cable paralelo que las interconecta no debe medir
mas de dos metros de largo, ya que es posible que debido a los ruidos y la
resistencia del cable, se pierda importante información en el camino en caso de
que esta longitud sea mayor que la recomendada. En caso de que sea estrictamente
necesario ubicarlas a una distancia mayor, se recomienda el uso de una unidad
repetidora, la cual se encarga de recibir la información del BUS de datos y de los
cables de control provenientes de la RCU maestra, y repetirla con mayor
intensidad hacia las RCU esclavas.
•
Las RCU esclavas están diseñadas para soportar un máximo de 60 amperios a
través de ellas, por lo que las cargas controladas por las mismas no deben
sobrepasar esta cantidad de corriente para garantizar el correcto funcionamiento
del sistema.
•
Al momento de realizar la programación de las RCU maestras, el cable
proveniente de las mismas debe estar desconectado de las RCU esclavas para así
evitar fallas posteriores.
71
•
Las RCU esclavas fueron diseñadas para controlar equipos a través de un cable
TW14, por lo que se recomienda conectar este tipo de cables, sin embargo, en caso
de que la carga del circuito a ser controlado así lo requiera, se le podrán conectar a
la misma, diferentes tipos de cable.
72
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
•
[1] Internet: Red Internacional de Control Automatico
http://www.control-automatico.net/htm/PDF/ART_02_DIMITRI.pdf
•
[2] Internet: Electbus Corporation
http://www.electbus.com
•
[3] Internet: Revista Digital Universitaria, UNAM, Mexico
http://www.revista.unam.mx/vol.1/art3/edificios.html
•
[4] Internet: Principios y Conductores de Fibras Opticas
http://orbita.starmedia.com/ygalarza/Ciencia.html
•
[5] Internet: Cisco Systems, Inc.
http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/cisintwk/ito_doc/ethernet.htm
•
[6] Internet: Networking and Emerging Optimization
http://neo.lcc.uma.es/evirtual/cdd/tutorial/fisico/inter232.html
•
[7] Internet: ARC Electronics
http://www.arcelect.com/
•
[8] TANENBAUM, Andrew S. (1997) Redes de Computadoras
Prentice-Hall, Mexico
•
[9] Internet: Official Website of ASHRAE SSPC 135
http://www.bacnet.org/
•
[10] Internet: Distributed Network Protocol
http://www.dnp.org/
•
[11] Internet: Portal del Hogar Digital
http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=143&m=29&idm=152&pat=148&n2=
148
•
[12] Internet: Echelon Corporation
http://www.echelon.com/
•
[13] Internet: Modicon, Modbus Protocol Reference Guide, Rev. J
http://www.modbustools.com/PI_MBUS_300.pdf
73
•
[14] Internet: OPC Foundation
http://www.opcfoundation.org/Default.aspx/01_about/01_whatis.asp?MID=AboutOPC
•
[15] Internet: Portal del Hogar Digital
http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=18&m=164&idm=154&pat=148&n2=
148
•
[16] Internet: PLCs.net
http://www.plcs.net/chapters/whatis1.htm
•
[17] Internet: PLCdev: Tools for Programming
http://www.plcdev.com/definition_of_a_plc
•
[18] Internet: Global Spec: The Engineering Search Engine
http://networkequipment.globalspec.com/LearnMore/Communications_Networking/Networking_Equip
ment/Remote_Terminal_Units_RTUs
•
[19] Internet: PC Magazine
http://www.pcmag.com/encyclopedia_term/0,2542,t=relay&i=50381,00.asp
•
[20] Internet: Search Networking
http://searchnetworking.techtarget.com/sDefinition/0,,sid7_gci213614,00.html
74
ANEXOS
75
Anexo A.
Circuito completo del primer prototipo de la Unidad Remota de Control Esclava.
D:\Anexo A\Circuito RCUSlaveV1.pdf
76
Anexo B.
Circuito completo del primer prototipo de la Unidad Remota de Control Maestra.
D:\Anexo B\Circuito RCUMasterV1.pdf
77
Anexo C.
Circuito completo del segundo prototipo de la Unidad Remota de Control Esclava.
D:\Anexo C\Circuito RCUSlaveV2.pdf
78
Anexo D.
Circuito completo del segundo prototipo de la Unidad Remota de Control Maestra.
D:\Anexo D\Circuito RCUMasterV2.pdf
79
Anexo E.
Carcasa protectora del prototipo definitivo de la RCU esclava (pulgadas).
80
Anexo F.
Carcasa protectora del prototipo definitivo de la RCU Maestra (pulgadas).
5
4
3
2
1
D
D
U41
RLY1 24V 10A NO
L2
NC
L1
C
1
1
18
2
17
3
16
4
15
18
1K
2
+ 5V
3
20
3
4
7
8
13
14
17
18
+ 5V
C
3
U2
LM7805
OUT
R17
1K
4
IN
GND
1
11
10
2
5
6
9
12
15
16
19
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
4
NC1
3
C1
4
NO2
5
NC2
6
C2
R9
RLY2 24V 10A NO
L2
NC
L1
C
17
D2
LED
16
2
15
1K
R10
C
5
6
OC
CLK
GND
74LS374
7
5
14
6
13
7
12
8
11
9
10
14
13
12
1
D8
LED
U9
VCC
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
NO1
Out_Connector
D1
LED
U36
1
8
OUT
LM7812
4
11
+ 24V
9
2
Latch direccion
1
Write
10
3
IN
GND
U45A
7
3
+ 12V
U1
P1
14
1
ULN2803
74LS08/SO
+ 24V
+ 5V
1
9
2
10
3
11
4
12
5
13
6
14
7
15
8
14
VCC
D
3
CLR
PRE
74AC74
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q
Q
CLK
1
4
C8
C9
C10
C11
C12
C13
C14
0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
5 Read
6
4
Latch direccion
74HC688/SO
+ 5V
74LS08/SO
U46A
2
R14
1K
+ 5V
R15
47K
7
Q7
Q6
Q5
Q4
Q3
Q2
Q1
Q0
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
VCC
R12
1K
R11
1K
D3
U42
OC1 PC3H4
OC2 PC3H4
OC3 PC3H4
OC4 PC3H4
74LS04/SO
6
5
4
3
2
GND
CLK
OC
10
11
1
D7
LED
1
14
U10
R13
1K
1
10
7
B
U45B
OE
R1
10K
19
16
15
12
9
6
5
2
C7
GND
+ 5V
5
6
7
20
P=Q
2
14
1
P0
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
2
3
4
5
6
7
8
9
U7A
19
GND
3
5
7
9
12
14
16
18
CONNECTOR DB15
+ 5V
VCC
U6
2
4
6
8
11
13
15
17
B
1
+ 5V
+ 5V
Address Enable
Write
Read
4
1
3
4
2
1
3
4
2
1
3
4
2
1
3
2
D6
LED
D5
LED
D4
LED
1N4005
RN1 68K
18
17
14
13
8
7
4
3
20
74LS374
1
3
5
7
1
2
4
6
8
Input_Con
2
3
SW1
SW DIP-8/SM
4
+ 5V
C4
10uF
C3
10uF
C2
10uF
C1
10uF
5
A
A
Title
<Title>
Size
D
Document Number
<Doc>
Date:
5
4
3
2
Sunday, January 07, 2007
1
Rev
<RevCode>
Sheet
1
of
1
5
4
3
+ 24V
2
1
NET2
GND
6
5
4
3
2
1
VA
A
B
RJ11
+ 5V
R19
100
R20
100
TGL
+ 5V
DN2
DK
D
3
C5
15pF
3
C6
15pF
2
SW2
DN1
DA
R18MAX485
47K
D
1
5
6
7
8
2
GND
A
B
VCC
2
DI
DE
RE
RO
1
4
3
2
1
1
U3
D16
7V
D15
12V
Y1
R16
+ 5V
10MHZ
47K
11
20
Vdd
13
14
15
12
RC0
RC1
RC2
RC4
RC3
RB7
28
RB6
RB5
27
26
RB4
25
RB2
RB1
RB3
24
23
21
22
18
17
16
RC5
RC6 / Tx
U41
RB0
RC7 / Rx
10
OSC2
RA4
9
OSC1
RA3
RA5
7
6
5
MCLR
RA0
RA2
4
3
2
RA1
Vss
Vss
1
8
19
U43
RLY1 24V 10A NO
L2
NC
L1
C
PIC18F252
1
1
18
18
2
2
17
17
1K
+ 5V
20
3
4
7
8
13
14
17
18
+ 5V
C
3
U2
LM7805
OUT
R17
1K
1
11
10
4
IN
GND
3
16
16
4
4
15
15
5
5
14
14
OC
CLK
GND
6
6
13
13
74LS374
7
7
12
12
8
8
11
11
9
9
10
10
2
5
6
9
12
15
16
19
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
NC1
3
C1
4
NO2
5
NC2
6
C2
R9
RLY2 24V 10A NO
L2
NC
L1
C
D2
LED
1K
2
R10
C
1
D8
LED
3
U9
VCC
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
NO1
Out_Connector
D1
LED
U36
1
OUT
LM7812
U45A
4
+ 24V
2
Latch direccion
1
Write
3
IN
GND
7
3
+ 12V
U1
P1
14
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ULN2803
74LS08/SO
+ 24V
+ 5V
1
9
2
10
3
11
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12
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13
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CLK
1
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74AC74
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Q
Q
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C9
C10
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C13
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0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
0.1uF
5 Read
6
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Latch direccion
74HC688/SO
+ 5V
74LS08/SO
U46A
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R14
1K
+ 5V
R15
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7
OC1 PC3H4
OC2 PC3H4
OC3 PC3H4
OC4 PC3H4
14
Q7
Q6
Q5
Q4
Q3
Q2
Q1
Q0
GND
CLK
OC
10
11
1
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
VCC
18
17
14
13
8
7
4
3
20
74LS04/SO
6
5
4
3
2
U10
D7
LED
1
R1
10K
19
16
15
12
9
6
5
2
C7
B
U45B
10
2
3
4
5
6
7
8
9
D
3
R13
1K
R12
1K
R11
1K
D3
1
OE
2
VCC
1
+ 5V
GND
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
19
7
3
5
7
9
12
14
16
18
P=Q
7
P0
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
U7A
14
2
4
6
8
11
13
15
17
VCC
U6
GND
CONNECTOR DB15
+ 5V
B
1
+ 5V
+ 5V
Address Enable
Write
Read
D6
LED
D5
LED
D4
LED
U42
1N4005
Input_Con
4
1
3
4
2
1
3
4
2
1
3
4
2
1
3
2
RN1 68K
74LS374
1
3
5
7
1
2
4
6
8
2
3
SW1
SW DIP-8/SM
4
+ 5V
C4
10uF
C3
10uF
C2
10uF
C1
10uF
5
Limite de los Componentes
tau = - T / ln (1 - Vc / Vcc)
T = 4.2mS
Vc = 1.2v
Vcc = 5v
tau = 15.3m
R = 1.5k, C = 10uF
R = 15.3k C = 1uF
A
A
Title
<Title>
Size
Document Number
Custom <Doc>
Date:
5
4
3
2
Rev
<RevCode>
Tuesday, January 09, 2007
Sheet
1
1
of
1
5
4
3
2
D
+ 24V
C
D2
1N4004
K3
VCC
VCC
1
0,1 uF
U11A
14
C3
U2
LM7805
1
2
8
D4
1N4004
C2
0,1 uF
VCC
3
LM7812
3
4
5
C4
0,1 uF
7
C5
0,1 uF
C6
0,1 uF
C7
0,1 uF
C8
0,1 uF
4073
1
Address Enable Bit
Write Enable Bit
Read Enable Bit
CONNECTOR DB15
VCC
2
3
4
5
6
7
8
9
U3
2
4
6
8
11
13
15
17
P0
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
3
5
7
9
12
14
16
18
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
1
OE
P=Q
19
VCC
2
D
3
CLK
Q
Q
VCC
5
6
U11C
4073
7
1
9
2
10
3
11
4
12
5
13
6
14
7
15
8
1
4
CLR
PRE
13
12
11
10
U9A
74AC74
14
P1
1
Q2
2N3904
6
4
IN
GND
+ 24V
U11B
14
+ 12V
VCC
OUT
U1
RELAY SPDT
4073
1
D1
LED
B
2
IN
GND
4
3
Q1
2N3904
9
7
OUT
3
R2
1K
VCC
U10
74HC688/SO
19
16
15
12
9
6
5
2
R1
10K
SW1
SW DIP-8/SM
Q7
Q6
Q5
Q4
Q3
Q2
Q1
Q0
U12A
CLK
OC
11
1
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
18
17
14
13
8
7
4
3
MTH5
2
VCC
1
74LS04
R5
62K
R4
10K
4
OC1
PC3H4
1
MTH1 MTH2 MTH3 MTH4
74LS374
D3
LED
C1
10uF
3
2
A
R6
1K
Title
<Title>
Size
C
Date:
5
4
3
2
Document Number
<Doc>
Wednesday, January 10, 20
1
D
C
B
A
Rev
<RevCode>
y 10, 2007
1
Sheet
1
of
1
3
2
35V
RJ11
L1
220uH
RV1
30V
B
A
R3
100
D
C1
1000uF
1
IN
OUT
U2
LM7805
3
C2
0.1uF
1
IN
OUT
VCC
3
GND
1
2
3
4
5
6
U1
LM7812
4
+24V
NET1
GND
4
4
5
C3
470uF
R4
100
VCC
2
R2 MAX485
4.7K
C5
15pF
1
DN1
DA
C8
0.1uF
DN2
DK
3
C6
15pF
3
TGL
SW3
2
5
6
7
8
2
GND
A
B
VCC
1
DI
DE
RE
RO
1
U3
4
3
2
1
D2
7V
D1
12V
Y1
VCC
R1
VCC
DRE
10MHZ
4.7K
U4
C4
20
11
12
13
14
15
16
0.1uF
MTH3
MTH4
RB6 / PGC
RB7 / PGD
Vdd
MTH2
SW2 28
26
SW1 27
RB5
RC0
25
RB4
RC1
RC2
RB2
RB3
24
RB1
RC3
23
21
22
RB0
RC4
MTH1
RC5
18
17
RC6 / Tx
RC7 / Rx
9
10
7
RA5
OSC2
OSC1
RA3
RA4
6
5
RA1
RA2
4
3
2
RA0
Vss
Vss
MCLR
1
8
19
C
PIC18F252
B
Address Enable Bit
Write Enable Bit
Read Enable Bit
VCC
CON1
ICP
+24V
1
9
2
10
3
11
4
12
5
13
6
14
7
15
8
1
2 MCLR
3 PGC
4 PGD
5
VCC
2
TGL
SW2
2
TGL
SW1
1
1
P1
CONNECTOR DB15
A
SW2
SW1
C7
0.1uF
Title
R5
47K
R6
47K
<Title>
Size
B
Date:
5
4
3
2
Document Number
<Doc>
Thursday, January 11, 2007
1
D
C
B
A
Rev
<RevCode>
Sheet
1
1
of
1